對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)厚板焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變研究

何雄君，何江源

(武漢理工大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，湖北 武漢 430060)

對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)厚板焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變研究

何雄君，何江源

(武漢理工大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，湖北 武漢 430060)

主要考察了對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)厚板對(duì)接焊殘余應(yīng)力應(yīng)變的影響，從而對(duì)現(xiàn)有的重要焊接構(gòu)件(如橋梁大型錨拉板)的冷卻方式給出參考，利用ABAQUS軟件對(duì)焊接構(gòu)件進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，通過(guò)改變對(duì)流換熱系數(shù)數(shù)值大小來(lái)模擬冷卻速度對(duì)厚板焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變的影響。研究表明：焊接區(qū)在不同冷卻速度下計(jì)算結(jié)果沒有數(shù)量級(jí)的差異，并且發(fā)現(xiàn)對(duì)流換熱系數(shù)與構(gòu)件焊后殘余應(yīng)力應(yīng)變的影響也并非為單調(diào)線性的關(guān)系，在某一適中的對(duì)流換熱系數(shù)條件下，厚板焊接的殘余應(yīng)力應(yīng)變可以達(dá)到最小。

橋梁工程；焊接；對(duì)流換熱系數(shù)；殘余應(yīng)力應(yīng)變；X坡口平板對(duì)焊；生死單元

0 引 言

焊接是制造整體鋼構(gòu)件的重要環(huán)節(jié)，在許多重要的鋼結(jié)構(gòu)中，焊接的質(zhì)量直接影響了結(jié)構(gòu)的安全性，所以，在制作拼接較重要的受力構(gòu)件時(shí)，如大型斜拉橋的錨拉板，過(guò)大的焊接殘余應(yīng)力會(huì)使材料使用產(chǎn)生隱患，筆者針對(duì)該類隱患，研究了不同對(duì)流換熱系數(shù)下對(duì)焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變的影響，評(píng)價(jià)了對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)厚板焊接時(shí)殘余應(yīng)力應(yīng)變的影響程度。

對(duì)流換熱是日常高溫物體冷卻的主要原因，介質(zhì)、流動(dòng)性、溫差等都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生比較大的影響，焊接板焊縫區(qū)與周圍環(huán)境發(fā)生熱交換過(guò)程的速率可直接由對(duì)流換熱系數(shù)反映。目前國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者從熱學(xué)的角度對(duì)該系數(shù)進(jìn)行了比較充分的研究，對(duì)于對(duì)流換熱系數(shù)在不同條件下的取值，擁有了比較全面的數(shù)據(jù)。然而關(guān)于這一數(shù)值的改變所引起的力學(xué)問(wèn)題卻鮮有研究，由于在不同環(huán)境中的對(duì)流換熱系數(shù)的取值差距非常顯著(物體在空氣中的對(duì)流換熱系數(shù)視情況取為3～100，在水中取為200～15 000)，這一系數(shù)對(duì)焊接后的殘余應(yīng)力應(yīng)變影響情況還不太明確，因此筆者分別立足于厚板焊接的殘余應(yīng)力應(yīng)變問(wèn)題，單獨(dú)研究了這一系數(shù)在不同數(shù)量級(jí)下的取值對(duì)焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變的影響，并初步評(píng)估了其影響程度，這對(duì)研究厚板焊接質(zhì)量的提高具有參考作用。

1 有限元模型

筆者采用熱-彈-塑性有限元方法來(lái)模擬Q235鋼X型坡口對(duì)接焊溫度場(chǎng)、應(yīng)力和變形，著重討論對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)焊接殘余應(yīng)力和變形的影響。在熱彈塑性有限元分析中，采用熱力耦合的方式進(jìn)行計(jì)算，即同時(shí)進(jìn)行溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果加入到應(yīng)力計(jì)算模型中進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變和變形的求解。模擬采用的焊件尺寸為 400 mm×800 mm×36 mm，有限元模型如圖1。為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率，在網(wǎng)格劃分時(shí)，近焊縫區(qū)劃得細(xì)密，遠(yuǎn)焊縫區(qū)劃得相對(duì)粗大。有限元模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)14 484，單元總數(shù)為23 250。筆者運(yùn)用 ABAQUS/Standard 通用分析模塊求解溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。在溫度場(chǎng)計(jì)算的過(guò)程中，采用8節(jié)點(diǎn)6面體單元DC3D6T來(lái)進(jìn)行計(jì)算，在應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算的過(guò)程中，采用與溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)的8節(jié)點(diǎn)6面體單元C3D6I來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

圖1 網(wǎng)格化分Fig. 1 Mesh of the model

1.1 熱分析

在溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，常見的熱源模型有高斯熱源和雙橢球熱源模型，由于熱源模型對(duì)焊件的殘余應(yīng)力影響不大[1]，本模型共計(jì)11道焊縫(圖2)，根據(jù)實(shí)際焊接熱源的移動(dòng)特點(diǎn)和電弧的能量分布規(guī)律，選用J. GOLDAK等[2]提出的雙橢球熱源模型來(lái)模擬焊接熱輸入，并采用生死單元的處理方法。除了考慮工件中的熱傳導(dǎo)外，同時(shí)還考慮了熔池的結(jié)晶潛熱。由于焊縫金屬與母材的熱物理性能差別很小，筆者假定整個(gè)有限元模型具有與母材相同的熱物理性能參數(shù)[3]。在模型中，利用牛頓法則和波爾茨曼定律分別考慮了工件與外部環(huán)境的對(duì)流和輻射[4]。

圖 2 坡口形式及焊道布置Fig. 2 Groove form and arrangement of weld passes

在建模過(guò)程中，根據(jù)一般焊接情況，設(shè)置每一道焊縫的冷卻時(shí)間為100 s，由于對(duì)流換熱系數(shù)為20時(shí)冷卻速度相對(duì)較慢，故為其設(shè)置了10 000 s的最終冷卻時(shí)間，以便更接近終態(tài)，其它兩個(gè)模型最終的冷卻時(shí)間設(shè)置為3 000 s[5]。

在焊接溫度場(chǎng)傳熱分析中，散熱邊界條件考慮對(duì)流散熱和輻射散熱兩種熱傳導(dǎo)方式[6]。熱循環(huán)過(guò)程中，在熔池周圍輻射熱損失占主導(dǎo)地位，而遠(yuǎn)離熔池的母材區(qū)域?qū)α鳠釗p失占主導(dǎo)地位，筆者采用等效對(duì)流散熱系數(shù)來(lái)表示這兩種散熱導(dǎo)致的熱損失，其中等效對(duì)流換熱系數(shù)h描述如下：

(1)

式中：T0為初始?jí)木硿囟?，常溫下T0=293 K；ε為輻射系數(shù)，取值為0.8；σ為史蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，取值為5.67×10-8J/(m2K4s)。文中對(duì)流換熱占據(jù)主導(dǎo)地位。

焊接材料以Q235鋼為例，其各項(xiàng)參數(shù)如表1。

表1 Q235鋼材料特性Table 1 Characteristics of Q235 steel

1.2 應(yīng)力與變形計(jì)算

在熱力耦合計(jì)算中，忽略應(yīng)力應(yīng)變對(duì)熱分析的影響，將溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果作為荷載施加到力學(xué)模型上，求解殘余應(yīng)力[7]。在應(yīng)力計(jì)算中，采用Mises屈服準(zhǔn)則，忽略相變應(yīng)變和加工硬化對(duì)殘余應(yīng)力的影響。模型的焊接變形包括角變形、橫向收縮及縱向收縮，本實(shí)驗(yàn)主要考察角變形引起的豎向位移分量U3[8]。

1.3 邊界條件和初始條件

其力學(xué)邊界條件如圖3，考慮到真實(shí)的焊接情況，CD平面限制沿z方向的位移(翻轉(zhuǎn)后為AB平面)，并同時(shí)給與鋼板兩個(gè)側(cè)面以xy的雙向約束。默認(rèn)坐標(biāo)系為：沿焊縫為x方向，垂直于焊接板面為z方向，沿鋼板側(cè)面為y方向。初始溫度設(shè)置為20oC，輻射換熱系數(shù)取0.8，對(duì)流換熱系數(shù)取值分別為20、200、2 000 J/(m2·s·℃)3個(gè)級(jí)別。

圖3 邊界條件
Fig. 3 Boundary conditions

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 焊接中心區(qū)溫度變化規(guī)律

圖4為焊接中心區(qū)域溫度變化規(guī)律，由圖4可見，當(dāng)對(duì)流換熱系數(shù)取20，接近弱對(duì)流空氣中的情況時(shí)，焊接板冷卻至常溫時(shí)間達(dá)到1 h以上，而在對(duì)流換熱系數(shù)取2 000時(shí)，此時(shí)比較接近在強(qiáng)對(duì)流水中冷卻的情形，冷卻至常溫只需數(shù)分鐘。對(duì)流換熱系數(shù)每增加一個(gè)量級(jí)，冷卻至常溫的時(shí)間將縮短60%以上。不同的冷卻環(huán)境對(duì)焊接過(guò)程溫度變化影響顯著，在這一不同冷卻環(huán)境下，我們需要進(jìn)一步研究對(duì)流換熱對(duì)其他因素的影響。

圖4 不同對(duì)流換熱系數(shù)下溫度變化Fig. 4 Temperature changing with different convective heat transfer coefficients

2.2 對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力及變形的影響

圖5為不同冷卻條件下焊接板中剖面的變形云圖，剖面法向?yàn)閤方向。圖中顯示的是沿z方向的位移，由圖5可見，在未考慮鋼板自重的情況下，鋼板的最大與最小位移均位于焊縫中，其變形均很小。當(dāng)對(duì)流換熱系數(shù)越大時(shí)，其相對(duì)位移的最大值越小。但對(duì)比這3組云圖看來(lái)，小的對(duì)流換熱系數(shù)會(huì)導(dǎo)致溫度對(duì)位移影響的范圍變大，其主要原因是過(guò)慢的冷卻使得高溫區(qū)的彈性模量處于較低值，更容易隨時(shí)間推移產(chǎn)生微小變形。

圖5 不同對(duì)流換熱系數(shù)下的變形Fig. 5 Deformation with different convective heat transfer coefficients

圖6為不同對(duì)流換熱系數(shù)下，焊接板的殘余應(yīng)力分布，從圖6可見，焊接板只受主拉應(yīng)力，并主要集中在焊接區(qū)域,如圖7。為了進(jìn)一步了解殘余應(yīng)力在不同位置的分布情況，分別對(duì)焊接板沿y方向-0.4、-0.3、-0.2、-0.1、0、0.1、0.2、0.3、0.4 m處9個(gè)切面取某相同單元進(jìn)行應(yīng)力觀察，數(shù)據(jù)如圖8。

綜合圖6～圖8可知：

1)在焊接的中心區(qū)域均存在較大的殘余拉應(yīng)力，且遠(yuǎn)離焊縫和熱影響區(qū)的應(yīng)力逐漸遞減，所有單元均未出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力。對(duì)于對(duì)稱坡口，先焊一面會(huì)對(duì)后焊一面產(chǎn)生約束，因而后焊面殘余應(yīng)力峰值要大于先焊面。

2)3種情形的最大應(yīng)力值相差不大，事實(shí)上其相差范圍均在100 MPa以內(nèi)。前人經(jīng)驗(yàn)表明，隨著對(duì)流換熱系數(shù)的減小，殘余應(yīng)力有所減小，但本次實(shí)驗(yàn)中，隨著對(duì)流換熱系數(shù)的改變，應(yīng)力峰值并不是呈單調(diào)線性變化，這與經(jīng)驗(yàn)中所猜想的情況有所出入。原因是過(guò)慢的冷卻會(huì)導(dǎo)致高溫區(qū)對(duì)鋼板的影響時(shí)間變長(zhǎng)，這也是造成殘余應(yīng)力增大的因素之一。

3) 3種對(duì)流換熱系數(shù)下，殘余應(yīng)力峰值均在230 MPa左右，超過(guò)了Q235的屈服應(yīng)力，說(shuō)明Q235鋼材不適合此種類型的平板對(duì)接，需要重新設(shè)計(jì)焊接方案或者采用更高強(qiáng)度的鋼材。

圖6 不同對(duì)流換熱系數(shù)下的主應(yīng)力Fig. 6 Principal stress with different convective heat transfer coefficients

圖7 不同對(duì)流換熱系數(shù)下的主應(yīng)力Fig. 7 Principal stress at different convective heat transfer coefficient

圖8 不同對(duì)流換熱系數(shù)下的切片內(nèi)力影響Fig. 8 Influence of section internal force with different convective heat transfer coefficients

3 結(jié) 語(yǔ)

在36 mm厚壁鋼板進(jìn)行X坡口對(duì)接焊時(shí)，焊后在靠近焊縫區(qū)域會(huì)出現(xiàn)較大的殘余拉應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離焊縫迅速減小，未出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力。在不同對(duì)流換熱系數(shù)下，焊接板的殘余應(yīng)力不會(huì)出現(xiàn)單調(diào)性的變化，過(guò)慢的冷卻會(huì)使局部高溫區(qū)的影響時(shí)間增加，過(guò)快的冷卻會(huì)使局部溫差增大，這些因素都會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力的增加。另外殘余變形程度直接受對(duì)流換熱系數(shù)的影響，快速的冷卻可以降低變形值。所以應(yīng)該采取合適的焊接工藝或者控溫措施，使焊接板的冷卻速度在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。

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ResidualStressandStrainofConvectiveHeatTransferCoefficientonThickPlateWelding

HE Xiongjun, HE Jiangyuan

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430060, Hubei, P.R.China)

The impact of convective heat transfer coefficient on the residual stress and strain of butt welding was mainly investigated. Therefore, the reference for the cooling method of the existing important welding components (such as the bridge large tensile anchor plate) was given. The finite element simulation calculation of the welding parts was carried out by ABAQUS software, and the numerical value of convective heat transfer coefficient was changed to simulate the impact of cooling speed on residual stress and strain of thick plate welding. The research shows that: the calculation results of the welding zone with different cooling speed have no difference in magnitude, and it is also found that the influence of the convective heat transfer coefficient on the residual stress and strain of the component after welding is not monotonous linear relationship. In a moderate condition of convective heat transfer coefficient, the residual stress and strain of thick plate welding can reach the minimum.

bridge engineering; welding; convective heat transfer coefficient; residual stress and strain; X groove butt joint; birth-death element

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.02

2016-04-06；

2016-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178361)

何雄君(1966—)，男，湖北蘄春人，教授，博士后，主要從事橋梁安全檢測(cè)方面的研究。E-mail：1208085086@qq.com。

何江源(1991—)，男，湖北咸寧人，碩士，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail：325246264@qq.com。

U441+.5;TG40

A

1674-0696(2017)11-007-04

(責(zé)任編輯：譚緒凱)