鋼板對(duì)接焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值分析與試驗(yàn)測(cè)定

王 震，尹 越,2，李春明，黃一哲，王成博,2

（1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.天津市公路工程總公司，天津 300250）

鋼板對(duì)接焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值分析與試驗(yàn)測(cè)定

王 震1，尹 越1,2，李春明3，黃一哲1，王成博1,2

（1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.天津市公路工程總公司，天津 300250）

對(duì)采用對(duì)接焊縫拼接鋼板的焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，確定焊接殘余應(yīng)力，分別采用盲孔法與切條法對(duì)對(duì)接焊縫拼接鋼板的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，以切條法試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)值分析方法及盲孔法測(cè)定結(jié)果的精度進(jìn)行了評(píng)價(jià)．分析結(jié)果表明：數(shù)值分析得到的對(duì)接焊縫拼接鋼板的焊接殘余應(yīng)力分布和大小均與切條法測(cè)定結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力數(shù)值分析方法的適用性；盲孔法測(cè)定的鋼板焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律與切條法基本一致，但由于盲孔法鉆孔精度不易控制，盲孔法測(cè)定的焊接殘余應(yīng)力數(shù)值誤差較大．

鋼結(jié)構(gòu)；焊接殘余應(yīng)力；數(shù)值分析；切條法；盲孔法

0 引言

焊接連接是鋼結(jié)構(gòu)最常用的連接方式之一，焊接過(guò)程是一個(gè)局部受熱、然后冷卻的過(guò)程，焊縫附近不均勻的溫度變化將引起殘余應(yīng)力和殘余變形．焊接殘余應(yīng)力和殘余變形的存在，將影響鋼構(gòu)件的加工和安裝精度、降低其承載力和穩(wěn)定性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能有顯著的不利作用．因此細(xì)致地分析鋼構(gòu)件在焊接過(guò)程中的力學(xué)行為、準(zhǔn)確確定焊接殘余應(yīng)力的大小和分布對(duì)保證焊接鋼結(jié)構(gòu)的安全可靠具有十分重要的意義．

確定焊接殘余應(yīng)力可以采用試驗(yàn)測(cè)定法和數(shù)值分析法．焊接殘余應(yīng)力的試驗(yàn)測(cè)定方法分為2類(lèi)：1）物理測(cè)定法，包括X射線(xiàn)法、超聲法和磁性法，物理測(cè)定法均為無(wú)損檢測(cè)法，不對(duì)鋼構(gòu)件造成任何損傷，但成本較高，且應(yīng)用受工程現(xiàn)場(chǎng)條件制約；2）機(jī)械法，包括切條法、切槽法、剝層法、鉆孔法等，采用機(jī)械法測(cè)定焊接殘余應(yīng)力需要進(jìn)行應(yīng)力釋放，即對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行局部分割或分離，這將對(duì)鋼構(gòu)件造成一定的損傷、甚至破壞，機(jī)械法理論完善、技術(shù)成熟、便于實(shí)施[1]．目前測(cè)定焊接殘余應(yīng)力的機(jī)械法在鋼結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用廣泛，其中盲孔法[2-3]對(duì)鋼構(gòu)件的損傷最小，近年來(lái)尤其受到工程技術(shù)人員的青睞，但是由于受鉆孔操作及其精度的影響較大[4-6]，盲孔法測(cè)定焊接殘余應(yīng)力的精度仍需進(jìn)一步驗(yàn)證．考慮到試驗(yàn)測(cè)定法只能測(cè)定焊接完成后鋼構(gòu)件中有限測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力情況，如需全面了解焊接過(guò)程中鋼構(gòu)件的力學(xué)行為，可以采用數(shù)值方法對(duì)整個(gè)焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬．鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程的數(shù)值模擬起始于20世紀(jì)70年代[7]，焊接過(guò)程數(shù)值模擬一般采用有限元方法對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行全過(guò)程分析，對(duì)鋼構(gòu)件尺寸、環(huán)境條件、焊接工藝參數(shù)等進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，從而全面了解焊接殘余應(yīng)力的成因及影響因素[8]．采用數(shù)值分析法確定鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力成本低、耗時(shí)短，不受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，不損傷鋼構(gòu)件，能得到更全面、更豐富的數(shù)據(jù)，因而被廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜焊接過(guò)程的研究[9-10]．但是，實(shí)際焊接過(guò)程和施焊條件極其復(fù)雜，數(shù)值分析中往往需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，使得數(shù)值分析結(jié)果可能與實(shí)際焊接殘余應(yīng)力存在一定差異．

本文同時(shí)采用數(shù)值分析方法和切條法、盲孔法2種試驗(yàn)方法對(duì)鋼板對(duì)接焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行研究，以切條法為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)值分析方法和盲孔法的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)．

1 鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程數(shù)值分析方法

1.1 耦合場(chǎng)的分析

在焊接過(guò)程數(shù)值模擬中，熱-位移耦合場(chǎng)分析可采用直接耦合法或間接耦合法．直接耦合法采用熱-位移耦合單元，包含節(jié)點(diǎn)溫度自由度和位移自由度，僅通過(guò)1次計(jì)算就可以得到溫度場(chǎng)和應(yīng)力、變形結(jié)果．這種方法易于操作，簡(jiǎn)單方便，收斂效果好，能夠考慮應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的相互影響，但計(jì)算耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，僅適用于較小的模型．間接耦合法通過(guò)熱分析和力分析2步得到計(jì)算結(jié)果，分別采用導(dǎo)熱單元和力單元，首先進(jìn)行熱分析，然后將得到的溫度場(chǎng)作為外荷載作用到模型上進(jìn)行應(yīng)力、變形分析．這種方法分工明確，計(jì)算速度快，但無(wú)法考慮應(yīng)力場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響．

1.2 邊界條件和荷載

焊接過(guò)程數(shù)值分析需要考慮的邊界條件包括熱分析中的對(duì)流輻射條件和力分析中的位移邊界條件．對(duì)流輻射條件是指充分考慮鋼構(gòu)件表面與周?chē)h(huán)境進(jìn)行熱量交換對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，溫度較低時(shí)以對(duì)流為主，溫度較高時(shí)以輻射為主．位移邊界條件則應(yīng)根據(jù)焊接過(guò)程中鋼構(gòu)件受約束情況確定．

焊接過(guò)程數(shù)值分析中的熱分析過(guò)程以環(huán)境溫度或焊接預(yù)熱溫度為初始溫度場(chǎng)，采用FLUX子程序[11]進(jìn)行體熱源（Body heatflux）熱量輸入．熱分析結(jié)束后，改變單元類(lèi)型，施加位移邊界條件，將熱分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度施加到力分析相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)行應(yīng)力、變形分析．

1.3 焊接熱源模型

焊接熱源模型采用雙橢球熱源模型[12]，其幾何形狀類(lèi)似于半卵形，接近焊接熔池形狀，在焊接行進(jìn)方向以熱源加熱的中心點(diǎn)為界分為前后2個(gè)1/4橢球來(lái)進(jìn)行描述．電弧熱流圍繞加熱斑點(diǎn)中心是不對(duì)稱(chēng)分布的，由于焊接速度的影響，電弧前方的加熱區(qū)域要比電弧后方的小，加熱斑點(diǎn)不是圓形的，而是橢圓形的，并且電弧前、后的橢圓形狀也不相同，如圖1所示．

2 鋼板對(duì)接焊接及焊接殘余應(yīng)力測(cè)定

2.1 鋼板對(duì)接焊接過(guò)程及相關(guān)參數(shù)

2塊鋼板（板塊A、板塊B）幾何尺寸均為400mm ×200 mm×6 mm，Q345B鋼材，采用對(duì)接焊縫沿長(zhǎng)邊焊接拼接，E50系列焊條，單道焊，不設(shè)引弧板．焊接電流為390 A，焊接電壓為39 V，焊接速度約為10mm/s，環(huán)境溫度為20℃．對(duì)接焊接后自然冷卻，然后對(duì)板塊A、板塊B分別采用盲孔法和切條法進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力試驗(yàn)測(cè)定．

圖1 雙橢球熱源模型圖Fig.1 Doubleellipsoid heatsourcemodel

2.2 盲孔法測(cè)定鋼板對(duì)接焊接殘余應(yīng)力

若構(gòu)件內(nèi)存在殘余應(yīng)力場(chǎng)，在應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)任意點(diǎn)處鉆一定直徑和深度的小盲孔，盲孔周?chē)绕胶獾膽?yīng)力狀態(tài)受到破壞，盲孔周?chē)鷮a(chǎn)生一定量的釋放應(yīng)變，其大小與被釋放的應(yīng)力相對(duì)應(yīng)．通過(guò)測(cè)定盲孔周?chē)尼尫艖?yīng)變，即可計(jì)算測(cè)點(diǎn)殘余應(yīng)力[13]，如圖2所示．

圖2 盲孔法應(yīng)變片布置Fig.2 Stain gauges in blind-holemethod

依照《鉆孔應(yīng)變法測(cè)量殘余應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》SL499-2010[2]進(jìn)行測(cè)試．在板塊A上距焊縫中心20mm處布置一排測(cè)點(diǎn)，從左向右編號(hào)為0#～12#，測(cè)點(diǎn)布置和應(yīng)變花粘貼方位如圖3．采用盲孔法專(zhuān)用設(shè)備在測(cè)點(diǎn)鉆孔后，測(cè)得0#～12#應(yīng)變花實(shí)測(cè)釋放應(yīng)變1、2及3，應(yīng)變方向如圖2所示．

圖3 盲孔法測(cè)點(diǎn)布置及應(yīng)變花粘貼方位Fig.3 Arrangementof strain gauges forblind-holemethod

盲孔法鉆孔孔徑為D0=3 mm，孔深h=2.5 mm，應(yīng)變花測(cè)量圓直徑D=7.6 mm，則D0/D=0.395， h/D=0.33，由《鉆孔應(yīng)變法測(cè)量殘余應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》查表得標(biāo)定常數(shù)．可由式 (1)計(jì)算A、B的值，式中v=0.3為鋼材泊松比，E=206 000MPa為鋼材彈性模量．

鋼板橫向（垂直焊縫方向）及縱向（沿焊縫方向）焊接殘余應(yīng)力x和y，可根據(jù)由豎直及水平方向應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變釋放按式 (2)[3]計(jì)算：

2.3 切條法測(cè)定鋼板對(duì)接焊接殘余應(yīng)力

當(dāng)構(gòu)件內(nèi)存在殘余應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，如果用機(jī)械方法將構(gòu)件切割成條，原有殘余應(yīng)力將會(huì)釋放，從而產(chǎn)生彈性變形，根據(jù)彈性變形量（應(yīng)變量）便可計(jì)算殘余應(yīng)力的數(shù)值，切條法是目前被廣泛認(rèn)可的、較為可靠的焊接殘余應(yīng)力測(cè)定方法．

依照《金屬材料殘余應(yīng)力測(cè)定全釋放應(yīng)變法》GB/T 31218-2014[14]，采用線(xiàn)切割機(jī)在板塊B上對(duì)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行切條法試驗(yàn)測(cè)定，切割原理為電火花線(xiàn)切割，切割過(guò)程中采用冷卻液進(jìn)行冷卻．

切割過(guò)程分為平行于焊縫的縱向切割及垂直于焊縫的橫向切割．縱向刀口距焊縫中心20 mm，在距離縱向刀口8mm處布置一排測(cè)點(diǎn)，編號(hào)與盲孔法測(cè)點(diǎn)編號(hào)對(duì)應(yīng)，從右到左編號(hào)為0#～12#．橫向刀口在0#與1#、11#與12#應(yīng)變片之間沿中點(diǎn)切開(kāi)，其它刀口到最近的應(yīng)變片距離為8mm．縱、橫向刀口位置、測(cè)點(diǎn)布置和應(yīng)變花粘貼方位如圖4所示．

圖4 切條法橫縱向刀口位置、測(cè)點(diǎn)布置及應(yīng)變花粘貼方位Fig.4 Transverseand longitudinalcutting linesand strain gaugearrangement for cuttingmethod

先進(jìn)行縱向切割，切割方向由0#測(cè)點(diǎn)開(kāi)始向左切割，每當(dāng)切到橫向刀口處，讀數(shù)并記錄下所有應(yīng)變數(shù)據(jù)．縱向切割結(jié)束后進(jìn)行橫向切割，切割順序由12#測(cè)點(diǎn)開(kāi)始向右切割，刀口深度為30mm．

分別測(cè)得縱向及橫向切割后0#～12#應(yīng)變花實(shí)測(cè)釋放應(yīng)變及．鋼板橫向及縱向焊接殘余應(yīng)力x和y可按式 (3)計(jì)算：

最后將縱向及橫向切割后確定的殘余應(yīng)力疊加，即得到各測(cè)點(diǎn)總的橫向與縱向焊接殘余應(yīng)力．

3 鋼板對(duì)接焊接過(guò)程數(shù)值模擬

3.1 模型建立

采用通用有限元軟件ABAQUS對(duì)鋼板對(duì)接焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析．考慮應(yīng)力場(chǎng)通過(guò)變形熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響很小，因此采用間接耦合方法．首先進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析（Heat Transfer），采用8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體DC3D8單元，在其后的應(yīng)力分析（Static General）中，采用8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體C3D8單元．有限元模型結(jié)點(diǎn)、單元位置及編號(hào)始終保持不變．

焊接過(guò)程是非線(xiàn)性瞬態(tài)問(wèn)題，數(shù)值分析涉及到密度、彈性模量、屈服應(yīng)力、導(dǎo)熱系數(shù)、膨脹系數(shù)和傳熱系數(shù)等6個(gè)材料參數(shù)，每一個(gè)材料參數(shù)值都隨著溫度的不同而變化[15]．

數(shù)值分析中對(duì)流換熱系數(shù)取為10W(m2K)1，黑度取為0.85[16]，熱源溫度約2000℃．環(huán)境溫度、焊接電流及焊接電壓V等均按實(shí)際焊接情況取值．對(duì)接焊縫長(zhǎng)400mm，焊接速度10mm/s，焊接加熱過(guò)程為40 s，冷卻時(shí)間設(shè)置為3 000 s．

2塊鋼板關(guān)于焊縫對(duì)稱(chēng)，故在數(shù)值分析中，只取一側(cè)板塊建立有限元模型，并在對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束．為了兼顧計(jì)算速度和精確度，在距離焊縫較近的部位采用較密的網(wǎng)格，在距離焊縫較遠(yuǎn)的部位采用稀疏的網(wǎng)格，之間采用過(guò)渡網(wǎng)格平緩過(guò)渡，如圖5所示．

3.2 溫度場(chǎng)

焊接過(guò)程溫度場(chǎng)分布很不均勻，在熱源不斷移動(dòng)過(guò)程中，鋼板峰值溫度可達(dá)1 800℃，發(fā)生在熱源中心點(diǎn)處，在熱源附近區(qū)域等溫線(xiàn)近似呈橢圓形分布，熱源前方溫度急劇下降，梯度較大，后方溫度下降比較緩和，梯度較?。附咏Y(jié)束冷卻3 000 s后整塊鋼板溫度都已降至21℃以下，可以認(rèn)為鋼板溫度場(chǎng)及應(yīng)力均不會(huì)再發(fā)生變化．

3.3 焊接殘余應(yīng)力

圖5 有限元分析模型Fig.5 Finiteelementmodel

數(shù)值分析確定的鋼板橫向及縱向焊接殘余應(yīng)力如圖6、圖7，可以看出：1）焊縫附近焊接殘余應(yīng)力較大，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域，焊接殘余應(yīng)力較??；2）橫向焊接殘余應(yīng)力在焊縫兩端為壓應(yīng)力，向焊縫中部迅速變?yōu)槔瓚?yīng)力，壓應(yīng)力區(qū)域較小、應(yīng)力已達(dá)到鋼板屈服應(yīng)力，拉應(yīng)力區(qū)域較大，應(yīng)力數(shù)值較小，最大拉應(yīng)力約為42MPa；3）縱向殘余應(yīng)力在沿焊縫的狹窄區(qū)域內(nèi)為拉應(yīng)力，隨著與焊縫距離的增大，迅速變化為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力區(qū)域?qū)挾容^小、應(yīng)力已達(dá)到鋼板屈服應(yīng)力，壓應(yīng)力區(qū)域較大，最大壓應(yīng)力約為115MPa．

圖6 鋼板橫向殘余應(yīng)力Fig.6 Transverse residualstresson steelplate

圖7 鋼板縱向殘余應(yīng)力Fig.7 Longitudinal residualstresson steelplate

4 數(shù)值分析與試驗(yàn)測(cè)定的結(jié)果對(duì)比

為進(jìn)行數(shù)值分析和試驗(yàn)測(cè)定的定量比較，在數(shù)值分析模型上定義距焊縫中心20 mm與焊縫平行的直線(xiàn)為路徑1．?dāng)?shù)值分析確定的路徑1上的焊接殘余應(yīng)力與切條法和盲孔法測(cè)定的測(cè)點(diǎn)0#～12#的殘余應(yīng)力比較如圖8．?dāng)?shù)值分析結(jié)果與切條法測(cè)定的焊接殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)一致、殘余應(yīng)力數(shù)值也較為接近，說(shuō)明通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬可以較為準(zhǔn)確地確定焊接殘余應(yīng)力．?dāng)?shù)值分析與切條法結(jié)果存在差異的原因在于切條法的試驗(yàn)誤差及數(shù)值分析中參數(shù)選取與實(shí)際情況不完全相符．盲孔法測(cè)得的焊接殘余應(yīng)力與切條法及數(shù)值分析確定的焊接殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)基本一致，但殘余應(yīng)力數(shù)值有較大差異．盲孔法結(jié)果誤差較大的主要原因在于盡管使用專(zhuān)用鉆孔設(shè)備，盲孔鉆孔精度仍不易控制，鉆孔位置、鉆孔直徑及鉆孔深度等偏差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果都可能有較大影響．

圖8 測(cè)點(diǎn)0#～12#焊接殘余應(yīng)力對(duì)比Fig.8 Comparison ofwelding residualstressof testing point0#～12#

5 結(jié)論

對(duì)采用對(duì)接焊縫拼接鋼板的焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，確定其焊接殘余應(yīng)力，同時(shí)采用切條法和盲孔法對(duì)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，以切條法測(cè)定結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)值分析及盲孔法測(cè)定結(jié)果的精度進(jìn)行驗(yàn)證，得出結(jié)論如下：1）采用數(shù)值分析方法確定的焊接殘余應(yīng)力與切條法測(cè)定結(jié)果基本一致，說(shuō)明通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬可以較為準(zhǔn)確地確定其焊接殘余應(yīng)力情況，數(shù)值分析中參數(shù)選取應(yīng)盡量與實(shí)際焊接過(guò)程相同；2）盲孔法測(cè)定的鋼板焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律與切條法及數(shù)值分析結(jié)果基本一致，但由于盲孔鉆孔精度不易控制，盲孔法測(cè)定的焊接殘余應(yīng)力數(shù)值誤差較大．

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[責(zé)任編輯 楊 屹]

Numericalanalysisand experimentalmeasurementof residualstresseson buttwelding steelplates

WANG Zhen1，YIN Yue1,2，LIChunm ing3，HUANG Yizhe1，WANG Chengbo1,2

(1.SchoolofCivilEngineering,Tianjin University,Tianjin300072,China;2.Key LaboratoryofCoastCivilStructureSafetyM inistry ofEducation,Tianjin University,Tianjin300072,China;3.Tianjin Highway EngineeringGeneralCompany,Tianjin300250,China)

Residual stress on buttwelding steel plate was determ ined by numerical simulation of the welding process. Blind-holemethod and cuttingmethod were then adopted and the residual stress near theweld seam was determ ined by released strainmeasurements.The accuracy of numericalsimulation and blind-holemethod was evaluated based on the results of cuttingmethod.The residualstressobtained by numericalanalysis agreed very wellw ith the resultsof cutting method,which verified theapplicability of numericalsimulation ofwelding processes.Blind-holemethod can also gave sim ilar residualstressdistribution,but the residualstressvalues itobtained have significantdifferencesw ith thoseby cuttingmethod and the deviationwas imputed to the error in blind-hole drilling process.

steelstructures;welding residualstress;numericalanalysis;cuttingmethod;blind-holemethod

TU375.4

A

1007-2373(2016)04-0099-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.04.016

2015-11-03

王震（1990），男（漢族），研究生．

尹越（1971），男（漢族），副教授，yinyue@tju.edu.cn．