高溫焊接溫度場及應(yīng)力場的數(shù)值模擬研究

尹成江+宋天民+管建軍

摘要：建立了高溫焊接工藝數(shù)值模擬模型，對在不同溫度下高溫焊接的溫度場和焊接殘余應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明： 500℃，600℃和700℃溫度下高溫焊接焊縫中心點(diǎn)上縱向殘余應(yīng)力相對于常溫焊接的降低幅度分別為：57.3%，73.1%和81.3%，橫向殘余應(yīng)力的降低幅度分別為：17.6%，36.9%和63.8%；高溫焊接使得應(yīng)力場的分布趨于均勻化，溫度越高，應(yīng)力分布也越均勻。

關(guān)鍵詞：高溫焊接；數(shù)值模擬；殘余應(yīng)力

中圖分類號：TG456

Abstract： This paper presents a numerical simulation model of high-temperature welding process. The temperature field and residual stress field of high-temperature welding at different temperature were investigated by numerical simulation. The numerical simulation result shows that： the longitudinal welding residual stress on high-temperature welding seam center point at 500℃， 600℃and 700 ℃ relative to normal welding decreases respectively： 57.3%， 73.1% and 81.3%， the transverse residual stress decreases respectively： 17.6%， 36.9% and 63.8%； the stress field distribution of high-temperature welding tends to be uniform， the temperature is higher， the stress distribution is more uniform.

Key words： high-temperature welding； numerical simulation；residual stress

0 前言

在焊接界關(guān)注的諸多問題中，降低或消除焊接殘余應(yīng)力是一項(xiàng)重要的課題。國內(nèi)外的研究者對此也做了大量的研究工作，并在此領(lǐng)域取得了令人矚目的成績。按照過程的性質(zhì)分類，調(diào)整和消除焊接殘余應(yīng)力的方法主要有以下三類：一類是溫差形變法，其原理是利用熱膨脹量引起的變形差來消除焊接殘余應(yīng)力，主要包括逆焊接溫差處理與低溫拉伸兩種方法[1-2]；另一類是熱作用形變法，即通常采用的焊后熱處理方法[3]；第三類是力學(xué)形變法，經(jīng)常采用的爆炸處理、振動(dòng)時(shí)效以及過載拉伸等力學(xué)方法就屬于力學(xué)形變法 [4]。高溫焊接是一種剛剛產(chǎn)生、并且正在探索的消除焊接殘余應(yīng)力的新方法[5-7]。在該焊接工藝過程中將焊件加熱到相變溫度以下的某一指定溫度后再進(jìn)行焊接，焊接過程中繼續(xù)加熱以保持母材金屬的溫度基本不變，在焊接結(jié)束后正常冷卻至常溫。高溫焊接試驗(yàn)的結(jié)果表明：高溫焊接形成的焊接接頭的殘余應(yīng)力低，疲勞壽命高，證實(shí)了高溫焊接的優(yōu)越性。但高溫焊接物理試驗(yàn)的數(shù)據(jù)不全面，不能得到焊接過程中完整的焊接殘余應(yīng)力的分布、焊接過程中的變形過程也不易準(zhǔn)確測量，有必要建立高溫焊接的數(shù)值模擬模型，來對高溫焊接的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評估，并借助數(shù)值模擬手段對高溫焊接工藝進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

1 高溫焊接數(shù)值模擬模型

模擬試驗(yàn)選用的材料是制造壓力容器常用的16MnR低合金鋼，焊接試板尺寸：240mm×200 mm×12mm。圖1為其有限元網(wǎng)格劃分模型，由于焊接試板幾何尺寸和熱力邊界條件具有對稱性，按1/2進(jìn)行建模。為便于施加固支約束條件，防止發(fā)生整體剛性平移，在焊接試板的兩端增加了類似于引弧板和熄弧板的模型。焊縫區(qū)單元尺寸1mm，其它區(qū)域依次遞增，最大單元尺寸11mm。

1.1 溫度場計(jì)算的邊界條件

（1）假設(shè)焊接電弧為雙橢球熱源；

（2）僅考慮焊接試板外表面與周圍環(huán)境的對流換熱；

（3）焊縫中心面為絕熱邊界條件。

1.2 應(yīng)力場的邊界條件

（1）焊縫中心面施加對稱邊界條件；

（2）為防止焊接試板發(fā)生整體剛性位移，約束引弧板外端面所有節(jié)點(diǎn)方向的位移。

1.3 模型

焊接參數(shù)：功率為800W，焊接速度為6.5 mm/s。

雙橢球熱源模型的表達(dá)式如下：

其中，值取1，2，分別表示為前、后半個(gè)橢球?qū)?yīng)的參數(shù)； ，分別為橢球的三個(gè)半軸長度；Q為理論熱輸入量；分別為隨熱源中心移動(dòng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

文中模擬了在500℃，600℃和700℃溫度下高溫焊接時(shí)的溫度場和應(yīng)力場。

2 溫度場模擬結(jié)果

為了簡化焊接前的加熱過程，此模型假設(shè)整個(gè)焊接試板在焊前500s內(nèi)完成加熱，即在前500s內(nèi)對所有單元節(jié)點(diǎn)施加固定溫度載荷，溫度載荷由20 ℃線性增大到預(yù)定溫度。焊接開始后，刪除溫度載荷，此時(shí)試件上各點(diǎn)處于預(yù)定溫度。隨后焊接試件在環(huán)境溫度下冷卻。

圖2為不同溫度下高溫焊接試板焊縫中心線中點(diǎn)溫度時(shí)程曲線。普通焊接視為溫度為20 ℃的常溫焊接過程。焊縫中心線上點(diǎn)的溫度由于焊槍未到之時(shí)焊縫尚未填充，其溫度視為20 ℃。從圖2可以看到，高溫焊接時(shí)溫度越高，采用同樣的熱輸入焊接時(shí)，峰值溫度也越高，而且冷卻速度也越慢。常溫焊接的冷卻速度則要快得多。

3 應(yīng)力場模擬結(jié)果

圖3、圖4分別為不同溫度下高溫焊接試板焊縫中心線中點(diǎn)縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力的時(shí)程曲線。從圖中可以看到，常溫焊接時(shí)焊縫區(qū)的縱向殘余應(yīng)力接近450 MPa，橫向殘余應(yīng)力接近80 MPa，而高溫焊接時(shí)殘余應(yīng)力均有所降低，溫度越高，降低的幅度越大，700 ℃焊接時(shí)縱向殘余應(yīng)力約為80 MPa，橫向應(yīng)力約為30 MPa，幾乎可以忽略不計(jì)。各溫度下高溫焊接焊縫中心點(diǎn)上縱向殘余應(yīng)力相對于常溫焊接的降低幅度分別為：57.3%，73.1%和81.3%，橫向殘余應(yīng)力的降

圖5、圖6為不同溫度下高溫焊接試板焊縫中心橫截面縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力分布曲線。高溫焊接時(shí)殘余應(yīng)力的分布更為平坦，溫度越高，應(yīng)力分布越呈扁平化趨勢。

4 結(jié)論

（1）高溫焊接能有效地降低焊接殘余應(yīng)力，縱向殘余應(yīng)力的降低幅度高于橫向殘余應(yīng)力的降低幅度。溫度越高，降低的幅度越大。

（2）高溫焊接使得應(yīng)力場的分布趨于均勻化，溫度越高，應(yīng)力分布也越均勻。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2015-03-20

尹成江簡介： 1967年出生，碩士，副教授，博士研究生；

主要研究方向?yàn)槭O(shè)備時(shí)效分析；ycj1967@163.com 。