外拘束條件下的不銹鋼焊接殘余應力變化規(guī)律

殷蘇民，孟吉登，王誠強，許楨英，王 勻

（江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 前言

焊接是工業(yè)制造領域的主要連接工藝之一。由于焊接結(jié)構(gòu)的復雜性，焊接接頭中的殘余應力可能會引起結(jié)構(gòu)脆性斷裂、疲勞斷裂、應力腐蝕開裂，并降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1]。焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形是產(chǎn)生焊接殘余應力的根本原因[2]。

采用數(shù)值分析方法對焊接結(jié)構(gòu)殘余應力進行預測和控制是目前國內(nèi)外發(fā)展的一個重要方向。在一般的焊接數(shù)值分析研究中，數(shù)值模型中往往只有被焊件，沒有考慮到實際焊接中各種拘束條件對焊接過程的影響；或者雖然考慮了拘束條件，但是沒有對拘束條件下的殘余應力進行分析[3]。

本研究分析了夾具墊板拘束下的不銹鋼焊接過程和殘余應力影響，解決了拘束條件下的焊接過程建模和分析精度問題，并得到殘余應力的分布規(guī)律[4]。

1 外拘束條件下的不銹鋼焊接數(shù)值

采用Abaqus建立三維熱彈塑性數(shù)值分析模型，模擬SS316L不銹鋼平板對接焊的焊接過程，采用單向熱力耦合法獲得焊接瞬態(tài)溫度場，然后將溫度場結(jié)果導入到焊接應力-應變模型中進行殘余應力和變形的計算[5]。

1.1 數(shù)值分析模型

試樣尺寸為100 mm×100 mm×4 mm，如圖1所示。焊縫寬度4 mm，單道焊方式。由于焊縫及其附近區(qū)域溫度梯度變化較大，所以采用過渡單元進行網(wǎng)格劃分，焊縫及其附近區(qū)域網(wǎng)格較密，最小單元尺寸 0.5 mm×0.5 mm×1 mm，平板總單元數(shù) 1.02×104，網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。溫度場分析采用熱單元DC3D8，應力場分析選用應力單元C3D8R，熱源采用J.Goldak提出的雙橢球功率密度分布熱源模型[6]。溫度場分析中焊件初始溫度取為20℃，焊件試樣外表面用等效表面放熱系數(shù)來模擬焊接時的對流和輻射，被焊材料的SS316L的各項物理參數(shù)和力學參數(shù)均設置為隨溫度變化，性能參數(shù)取自文獻[7]。

圖1 平板試樣示意

圖2 網(wǎng)格劃分示意

采用四種不同的拘束條件來模擬計算焊接件的應力場：（1）方案一不對焊接件施加任何約束，模擬平板對接焊在自由狀態(tài)下的應力場；（2）方案二約束被焊件底面的四個頂點(點 C、D、G、H），焊接整個過程結(jié)束后去除原有約束；（3）方案三約束焊接件的兩個側(cè)面(面ABCD、面EFGH），焊接完成后去除之前約束；（4）方案四為夾具墊板約束，將夾具墊板和焊接件及其相互作用關(guān)系統(tǒng)一建模為多體耦合模型，焊接冷卻過程結(jié)束后去除原有約束，夾具墊板和焊接件的裝夾情況如圖3所示。

圖3 夾具墊板拘束計算模型

1.2 拘束條件下的應力場分析

應力場分析分兩步，首先獲取溫度場。采用生死單元技術(shù)來模擬焊接過程中焊縫的形成和熱源的移動，焊接開始前先將焊縫中的單元“殺死”，模擬過程中按照熱源移動的時間順序依次“激活”單元。熱源采用Fortran語言編寫的Dflux子程序進行加載，模擬的焊接方法為脈沖鎢極氬弧焊，其中焊接電流140 A，電弧電壓15 V，焊接效率為0.7，焊接速度6 mm/s。

計算焊接應力場時，假定材料為各向同性的均勻塑性體，材料的塑性屈服遵循Von Mises屈服準則。其中方案四在焊接過程中將被焊平板試樣與夾具及墊板之間的相互作用關(guān)系定義為接觸對，采用接觸算法進行數(shù)值分析計算，將焊接件和夾具之間的接觸關(guān)系定義為柔-柔面接觸關(guān)系，焊接件與墊板之間的接觸關(guān)系定義為柔-剛面接觸關(guān)系，各接觸面之間的摩擦系數(shù)定義為0.15。先設置被焊平板試樣與夾具和墊板之間的距離為零，在焊接開始前，將左右兩夾具下壓一微小距離后固定，以期與實際裝夾情況更加接近，然后約束左右夾具上表面和墊板下表面的各個自由度。等到焊接冷卻過程結(jié)束以后，取消夾具和墊板與被焊件的相互作用關(guān)系并將其與被焊件分離，計算分析被焊件的殘余應力場。

2 模擬結(jié)果和分析

焊接殘余應力將嚴重影響焊接結(jié)構(gòu)的力學性能和使用性能。焊接殘余應力分為橫向殘余應力、縱向殘余應力和沿厚度方向的殘余應力?？紤]板厚較小，因此主要研究不同拘束條件對焊接接頭橫向殘余應力和縱向殘余應力分布的影響。采用不同的方案模型計算時，焊接平板試樣的殘余應力場分布結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同拘束條件下焊接結(jié)構(gòu)殘余應力場

2.1 橫向殘余應力

由圖4可知，在焊縫區(qū)及其附近區(qū)域應力場表現(xiàn)為較高的殘余拉應力，遠離焊縫時拉應力逐漸下降直至變成壓應力，因此主要研究：（1）路徑一，y=50mm焊縫垂直截面處焊縫區(qū)（BW）、熱影響區(qū)（HAZ）、過渡網(wǎng)格附近的母材區(qū)（BM）；（2）路徑二，x=0 mm沿焊縫方向這兩條路徑的殘余應力。

不同拘束條件下兩種路徑方向上的橫向殘余應力分布如圖5所示。從圖5a可知方案一和方案二的焊縫中心處橫向殘應力分別為119MPa和113MPa，兩者幾乎無差別，這是因為方案二只約束了試樣底面四個頂點，對焊接試樣的橫向膨脹和收縮幾乎沒有影響，從文獻[4]可知方案二能約束焊接件的剛體位移并且試樣變形規(guī)律與實際的變形規(guī)律一致，所以方案二能夠描述平板試樣在自由狀態(tài)下的焊接情況。方案三的橫向殘余應力很大，焊縫中心處達到275 MPa，這是由于約束了試樣的側(cè)面，對焊接件的橫向冷卻收縮產(chǎn)生了極大的阻礙作用，造成被焊件的橫向殘余應力急劇增大。方案四的焊縫中心處橫向殘余應力值為97MPa，低于方案一和方案二的橫向殘余應力值，這是由于夾具的存在減小了焊接件的變形并部分阻礙了試樣的膨脹造成的，圖5b中路徑二的橫向殘余應力分布趨勢大致與圖5a相同，其表現(xiàn)為焊接開始和結(jié)束時橫向殘余應力低而焊接過程中應力高，由此可見方案四的夾具墊板拘束能有效減小焊接件的橫向殘余應力。

2.2 縱向殘余應力

四種方案條件下焊接件在兩條路徑上的縱向殘余應力分布如圖6所示，圖6a中四種拘束條件下焊縫中心的縱向殘余應力值大小分別為268MPa、263 MPa、105 MPa和 245 MPa?？梢钥闯?，焊接件的縱向殘余應力比橫向殘余應力大得多，并且不同拘束條件下縱向殘余應力的分布趨勢也與圖5中的橫向殘余應力分布趨勢大致相同，只有方案三中的縱向殘余應力值變成了最小，這是由于方案三約束了試樣的兩個側(cè)面造成焊接件的橫向收縮極大受阻從而促進了試樣的縱向收縮，減小了被焊試樣的縱向殘余應力值。但是從總體上來看，方案三還是造成了平板試樣的殘余應力場明顯增大。圖6b中路徑二的縱向殘余應力分布總體上與圖6a相同，由圖6可以看出方案四的夾具墊板拘束有效的減小了焊接件的縱向殘余應力。

圖5 不同拘束條件下焊接件的橫向殘余應力分布

圖6 不同拘束條件下焊接件的縱向殘余應力分布

3 結(jié)論

（1）利用有限元abaqus軟件，通過定義材料物理和力學參數(shù)隨溫度變化的非線性以及運用生死單元技術(shù)，成功模擬出不同外拘束條件下平板焊接試樣的焊接溫度、應力場。焊接結(jié)構(gòu)殘余應力分析表明，焊縫區(qū)及其附近區(qū)域存在較大的殘余拉應力，遠離焊縫區(qū)域應力逐漸減小直至衰減為殘余壓應力。

（2）不同的外拘束條件設置對焊接件的殘余應力場分布影響很大，約束側(cè)面的拘束條件會顯著增大被焊平板試樣的殘余應力，約束底面四點的拘束條件能較好的模擬平板在自由狀態(tài)下的焊接情況。

（3）在夾具墊板拘束模型中，將夾具墊板和焊接件及其相互作用關(guān)系統(tǒng)一建模為多體耦合模型來進行模擬計算，從結(jié)果分析中可以看出該模型能反映平板焊接過程中夾具與被焊工件的相互作用并有效減小殘余應力。

[1]殷蘇民，張 超，王 勻，等.激光沖擊對不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值分析[J].中國激光，2013，40（5）：85-90.

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[3]劉 川，張建勛.外拘束力對對焊焊接殘余應力的影響[J].中國機械工程，2009，20（10）：1234-1239.

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