焊接順序?qū)H36船用高強(qiáng)鋼焊接殘余應(yīng)力及其釋放的影響研究

沈言 李萌萌 張本順 羅廣恩

摘要：采用熱彈塑性有限元方法對(duì)AH36船用高強(qiáng)度鋼對(duì)接焊的殘余應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，獲得了焊縫區(qū)域兩條路徑方向上的縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力分布。分析焊接過(guò)程中不同焊接順序?qū)附託堄鄳?yīng)力及其釋放的影響。計(jì)算結(jié)果表明：兩條路徑上的焊接殘余應(yīng)力受焊接順序影響較大;工況一和工況四的初始橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力較小;加載50次拉伸循環(huán)載荷之后，工況一的橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力釋放率最大，應(yīng)力數(shù)值最小。

關(guān)鍵詞：焊接順序;焊接殘余應(yīng)力;數(shù)值仿真;釋放率

中圖分類(lèi)號(hào)：U661.43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）08-0015-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.03

0 前言

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，焊接件需要承受來(lái)自環(huán)境的各種載荷，明顯影響其生產(chǎn)加工壽命，對(duì)于結(jié)構(gòu)物的力學(xué)性能和服役期限都有不可忽略的危害。焊接是一個(gè)復(fù)雜的相變過(guò)程，如何減小焊接殘余應(yīng)力數(shù)值是一個(gè)重要課題，焊接順序作為影響焊接最終應(yīng)力分布的因素值得認(rèn)真研究。

由于受限于焊接成本以及觀(guān)測(cè)設(shè)備及其成本，一般采用有限元仿真對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響因素開(kāi)展相關(guān)研究。J I Shude等[1]對(duì)鋁合金平板進(jìn)行不同焊接次序下的仿真研究，結(jié)果表明，如果在多層焊縫的相鄰層之間或每層的相鄰焊道之間采用逆向焊接法能夠有效減小焊接殘余應(yīng)力。Chen Z等[2]針對(duì)板和加勁肋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了6種加載次序，研究焊接參數(shù)及其順序?qū)Y(jié)構(gòu)物變形和應(yīng)力分布的影響。鄧德安和清島祥一[3]對(duì)不銹鋼厚板開(kāi)展多道焊研究，驗(yàn)證了Quick Welder用于開(kāi)發(fā)熱彈塑性分析軟件的可靠性，同時(shí)得出焊接次序?qū)附託堄鄳?yīng)力峰值以及焊接殘余應(yīng)力分布情況均有影響。王波[4]針對(duì)箱體焊接結(jié)構(gòu)，基于螢火蟲(chóng)算法，通過(guò)算法優(yōu)化和數(shù)值仿真，得到焊接變形最小、更準(zhǔn)確的焊接順序。FU等[5]對(duì)兩根圓管的V形節(jié)段的對(duì)接節(jié)進(jìn)行TIG焊接模擬和試驗(yàn)研究，確定了焊接順序最佳方案。謝暉和周玉雷[6]針對(duì)車(chē)體組織焊接對(duì)于后期裝配成本影響大的問(wèn)題，采用線(xiàn)彈性有限元法，通過(guò)仿真模擬獲得最佳焊接順序，從而降低了后期車(chē)輛安裝和維護(hù)的成本。周廣濤等[7]針對(duì)裝載機(jī)虎頭焊接變形問(wèn)題，依據(jù)結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)，通過(guò)數(shù)值仿真技術(shù)研究焊接次序影響，得到最佳焊接順序方案。李紅濤等[8]針對(duì)細(xì)長(zhǎng)型桿件焊接結(jié)構(gòu)，選取旋挖鉆機(jī)桅桿為對(duì)象，研究了焊接順序?qū)附託堄鄳?yīng)力及其變形量的影響。

文中基于有限元數(shù)值仿真和試驗(yàn)相結(jié)合方法，首先開(kāi)展AH36船用高強(qiáng)鋼對(duì)接焊焊接試驗(yàn)，得到每層焊道焊接參數(shù)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)編程進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)X射線(xiàn)測(cè)量結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力來(lái)驗(yàn)證有限元仿真計(jì)算可靠性;接著開(kāi)展4種不同焊接順序的焊接殘余應(yīng)力數(shù)值仿真計(jì)算，研究初始焊接殘余應(yīng)力在兩條路徑方向分布情況;最后，針對(duì)設(shè)計(jì)的4種焊接順序試件，研究拉伸載荷作用下的焊接殘余應(yīng)力釋放，通過(guò)對(duì)比分析得到最佳焊接順序方案。

1 焊接殘余應(yīng)力有限元計(jì)算

1.1 溫度場(chǎng)計(jì)算

對(duì)9 mm厚度、兩邊開(kāi)坡口的AH36船用高強(qiáng)鋼進(jìn)行平板對(duì)接焊，焊接方法為CO2氣體保護(hù)焊。試件裝配之后正面進(jìn)行三層焊接，如圖1所示，取下試件打磨根部之后進(jìn)行反面補(bǔ)焊，具體尺寸參數(shù)如表1所示。

采用ABAQUS，有限元模型單元類(lèi)型選用三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元。焊縫區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密，有限元網(wǎng)格尺寸約為1 mm，焊趾位置到兩端有限元網(wǎng)格尺寸逐漸從1 mm增加到4 mm，從而節(jié)約計(jì)算時(shí)間。熱源模型采用雙橢球熱源如圖2所示，前半部分熱源分布為：

式中 Q=ηUI;η為熱效率系數(shù);U為加速電壓（單位：V）;I為加速電流（單位：A）;a、b、c為橢球形狀參數(shù);f1、f2為前后橢球熱量分布函數(shù)，f1+f2=2。

試驗(yàn)過(guò)程中，記錄每層焊接的焊接電流、電壓、冷卻時(shí)間和焊接試件，如表2所示。

設(shè)計(jì)了4種焊接順序，分別進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，研究焊接順序?qū)?yīng)力場(chǎng)及后續(xù)焊接殘余應(yīng)力釋放的影響，焊接順序如表3所示，表中數(shù)字分別對(duì)應(yīng)每種工況下每層焊接次序（共4層）。在對(duì)4種工況進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算過(guò)程中，每層焊接數(shù)據(jù)（焊接電流、焊接電壓以及焊接速度）均參照表2進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，保證每層焊接數(shù)據(jù)在不同工況下均保持不變。

三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)控制方程為

式中 c為比熱容;ρ為密度;k為導(dǎo)熱系數(shù);Q為內(nèi)熱源強(qiáng)度;T為溫度;t為時(shí)間。AH36高強(qiáng)鋼性能參數(shù)[9]如圖3所示。

第一道焊縫成形過(guò)程中以及最終焊接結(jié)束后的溫度場(chǎng)分布情況如圖4所示。

1.2 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算

焊接過(guò)程中，常規(guī)的焊接方式一般是對(duì)母材進(jìn)行二次切割，用于研究焊接位置焊接殘余應(yīng)力分布情況。二次切割會(huì)造成焊接殘余應(yīng)力二次分布，對(duì)于后續(xù)研究拉伸載荷作用下焊接殘余應(yīng)力釋放有影響。因此，文中設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝配方式為：試件兩邊采用楔形塊壓緊固定，如圖5所示。該約束方式對(duì)試件垂直方向位移進(jìn)行了限制，水平方向主要依靠楔形塊與試件表面靜摩擦力進(jìn)行約束。

在焊接試件兩端分別設(shè)置一個(gè)剛性物體，物體兩端邊界約束完全剛性固定，分別將焊接件以及剛性物體靠近的兩個(gè)面的面內(nèi)節(jié)點(diǎn)耦合到一個(gè)節(jié)點(diǎn)。然后在耦合點(diǎn)之間加載一個(gè)軸向單自由度的彈簧單元進(jìn)行彈簧約束，如圖6所示。焊接件表面選擇部分區(qū)域模擬焊接試驗(yàn)裝配方式進(jìn)行約束。彈簧剛度為5×105 N/mm邊界約束情況下有限元數(shù)值能夠有效模擬試驗(yàn)結(jié)果[10]，如圖7所示。

選擇兩條路徑來(lái)直觀(guān)考察焊接殘余應(yīng)力分布的分布情況，如圖8所示。路徑一為垂直于焊縫方向，位于試件上表面，從焊縫中點(diǎn)沿著垂直于焊接方向;路徑二為焊縫深度方向，從試件上表面的焊縫中點(diǎn)位置沿著板厚方向向下。

2 試驗(yàn)研究

2.1 焊接試驗(yàn)

焊接工藝選擇MAG焊，保護(hù)氣為CO2;主要的焊接裝置如圖9所示。每層焊接參數(shù)見(jiàn)表2。

2.2 殘余應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)

選擇路徑一試件表面位置距離焊縫中心3 mm（A點(diǎn)）、12 mm（B點(diǎn)）、23 mm（C點(diǎn)）、37 mm（D點(diǎn)）、54 mm（E點(diǎn)）和75 mm（F點(diǎn)）共6個(gè)點(diǎn)作為研究對(duì)象，如圖10所示。電解腐蝕液腐蝕去除測(cè)點(diǎn)機(jī)械殘余應(yīng)力以便測(cè)量焊接殘余應(yīng)力。

通過(guò)iXRD型殘余應(yīng)力儀（見(jiàn)圖11）測(cè)量焊接殘余應(yīng)力。在測(cè)試初始焊接殘余應(yīng)力之后，在試件長(zhǎng)度方向加載拉伸循環(huán)載荷，并測(cè)量焊接殘余應(yīng)力（見(jiàn)圖11），證明仿真計(jì)算的可靠性[11]。

3 結(jié)果分析對(duì)比

3.1 焊接順序?qū)Τ跏己附託堄鄳?yīng)力影響

選擇相同的邊界彈簧約束條件和焊接參數(shù)對(duì)4種焊接順序下的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行仿真，計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

焊接順序?qū)τ诼窂揭坏臋M向焊接殘余應(yīng)力影響明顯，應(yīng)力分布從大到小依次為4321、4213、1234和3214。以最大值為例進(jìn)行說(shuō)明，工況一（1234）為234 MPa，工況二（4213）為269 MPa，工況三（4321）為271 MPa，工況四（3214）為208 MPa。

路徑一在不同焊接順序下的縱向焊接殘余應(yīng)力趨勢(shì)大致相同，殘余應(yīng)力分布從大到小依次為4321、4213、1234和3214?？v向焊接殘余應(yīng)力最大值一般出現(xiàn)在焊縫中心位置，工況一（1234）為303 MPa，工況二（4213）為309 MPa，工況三（4321）為315 MPa，工況四（3214）為356 MPa。然后應(yīng)力逐漸降低，由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，呈先減小后緩慢增大的規(guī)律。

不同焊接順序其總體分布規(guī)律大致相同，出板厚中部的焊接殘余應(yīng)力最大，上下表面的殘余應(yīng)力相對(duì)小些，如圖13所示。由于試驗(yàn)過(guò)程中焊接順序的選擇不同，所以上下表面的焊接殘余應(yīng)力并非關(guān)于板厚中心對(duì)稱(chēng)的，橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力最大值一般出現(xiàn)在距離上表面5～6 mm處。

工況一（1234）相較于其他3種工況，除了在試件表面以及內(nèi)部一個(gè)點(diǎn)的橫向焊接殘余應(yīng)力略小，其他點(diǎn)位置焊接殘余應(yīng)力均較大，這種分布規(guī)律同樣適用于縱向焊接殘余應(yīng)力。

3.2 焊接順序?qū)附託堄鄳?yīng)力釋放影響

加載50次、150 MPa拉伸載荷之后[11]，路徑一橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力分布情況如圖14所示。

由圖14可知，加載循環(huán)載荷50次之后，路徑一的橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力出現(xiàn)明顯的釋放現(xiàn)象，總體分布規(guī)律不變。以最大值為例，橫向焊接殘余應(yīng)力：工況一（1234）初始值234 MPa，變?yōu)?3 MPa;工況二（4213）初始值269 MPa，變?yōu)?8 MPa;工況三（4321）初始值271 MPa，變?yōu)?4 MPa;工況四（3214）初始值208 MPa，變?yōu)?9 MPa。

拉伸載荷作用下縱向焊接殘余應(yīng)力同樣出現(xiàn)明顯釋放，焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律變化不大。以最大值為例，工況一（1234）初始值356 MPa，變?yōu)?70 MPa;工況二（4213）初始值309 MPa，變?yōu)?58 MPa;工況三（4321）初始值315 MPa，變?yōu)?63 MPa;工況四（3214）初始值304 MPa，變?yōu)?65 MPa。

加載50次拉伸載荷（載荷150 MPa）之后，路徑一的橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力釋放情況如圖15所示。對(duì)于橫向焊接殘余應(yīng)力，4種工況下的焊接殘余應(yīng)力釋放率整體分布規(guī)律比較接近，呈現(xiàn)在焊縫位置很大，然后逐漸降低，在焊趾位置達(dá)到最小值，然后隨著距焊縫距離的增加而逐漸增加的趨勢(shì)。工況一（1234）整體釋放率明顯大于其他3種情況。在焊縫位置釋放率達(dá)0.88，其他位置均保持在0.5以上。

縱向焊接殘余應(yīng)力釋放率分布規(guī)律比較復(fù)雜，從焊縫到焊趾位置4種工況下的焊接殘余應(yīng)力釋放率比較接近，變化幅度不大，一般都在0.5左右。在20 mm附近，由于初始焊接殘余應(yīng)力數(shù)值較小，拉伸載荷作用下造成分布比較明顯，釋放率難以分析，在此不進(jìn)行分析。

加載50次拉伸循環(huán)載荷作用下，路徑二的橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力分布情況如圖16所示。對(duì)于橫向焊接殘余應(yīng)力，4種焊接次序下最終殘余應(yīng)力都出現(xiàn)了明顯釋放現(xiàn)象，焊機(jī)殘余應(yīng)力分布較為接近。工況一初始焊接殘余應(yīng)力最大，拉伸載荷作用后，殘余應(yīng)力數(shù)值不再是最大。

對(duì)于縱向焊接殘余應(yīng)力，工況一的初始焊接殘余應(yīng)力最大，在加載拉伸循環(huán)載荷作用之后，焊接殘余應(yīng)力釋放最多，最終應(yīng)力數(shù)值降為最低。

加載50次循環(huán)拉伸載荷之后，路徑二的橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力釋放率沿著厚度方向分布情況如圖17所示。對(duì)于橫向焊接殘余應(yīng)力，4種工況作用下焊接殘余應(yīng)力釋放率沿著板厚方向分布情況大體一致，呈現(xiàn)表面為最大值，隨著距坡口表面距離的增加先降低，在4 mm處達(dá)到最小值，然后緩慢增加的趨勢(shì);工況一的橫向焊接殘余應(yīng)力釋放率明顯高于其他3種工況。

對(duì)于縱向焊接殘余應(yīng)力，4種工況下焊接殘余應(yīng)力釋放規(guī)律同樣大體一致，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì);工況一的縱向焊接殘余應(yīng)力釋放率明顯高于其他3種工況。

4 結(jié)論

采用熱彈塑性有限元方法開(kāi)展焊接順序?qū)Τ跏己附託堄鄳?yīng)力影響的研究，對(duì)4種焊接順序的試件加載拉伸循環(huán)載荷進(jìn)行仿真計(jì)算，研究焊接次序?qū)?yīng)力釋放的影響，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真可靠性驗(yàn)證。主要結(jié)論如下：

（1）加載50次拉伸循環(huán)載荷作用后，焊接殘余應(yīng)力出現(xiàn)明顯釋放，但是4種工況的初始應(yīng)力和最終應(yīng)力分布規(guī)律仍然保持接近。

（2）加載拉伸循環(huán)載荷作用后，路徑一的焊接殘余應(yīng)力釋放率在焊縫位置最大，然后減小，在焊趾位置達(dá)到最小值，隨著距焊縫中心距離的增加而逐漸增加。

（3）加載拉伸循環(huán)載荷作用后，路徑二的橫向焊接殘余應(yīng)力釋放率呈現(xiàn)隨著板厚先減小后增加的變化趨勢(shì)，縱向焊接殘余應(yīng)力釋放率變化趨勢(shì)相反。

（4）在4種工況下，無(wú)論路徑一還是路徑二，工況一的焊接殘余應(yīng)力釋放率均最大，最終拉伸載荷作用后焊接殘余應(yīng)力最小。在4種工況中，試件長(zhǎng)期服役期間，認(rèn)為工況一是最優(yōu)焊接順序。

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收稿日期：2019-10-21;修回日期：2020-03-28

基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金（BK20150468）;國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51479084）;

作者簡(jiǎn)介：沈 言（1990— ），男，碩士，工程師，主要從事船舶與海洋焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究。E-mail：shenyan168861@126.com。