厚板埋弧焊接頭焊后感應(yīng)熱處理應(yīng)力場的數(shù)值分析

王云，梁民航，趙朋成，王璐璐

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

0 引言

機(jī)械、橋梁、船舶等工程制造項(xiàng)目中常用到厚度超過20mm的厚板鋼，一般使用埋弧焊成形。厚板鋼在進(jìn)行埋弧焊時，由于焊接時瞬時溫度非常高，焊接接頭與母材區(qū)形成較大的溫差，使厚鋼板焊件中存在較大的殘余應(yīng)力，嚴(yán)重影響厚板鋼結(jié)構(gòu)的使用性能，在實(shí)際的生產(chǎn)中常用焊后熱處理來消除焊接結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力[1]。

與目前工程中常用的電阻和火焰加熱等熱處理方式相比較，感應(yīng)加熱具有能量利用率高、溫度控制精確等優(yōu)點(diǎn)。利用感應(yīng)加熱進(jìn)行>25mm的厚壁焊縫的焊后熱處理加熱，熱處理效果更佳[2]。此外，感應(yīng)加熱能夠?qū)崿F(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)的局部熱處理，降低加熱成本，提高加熱生產(chǎn)效率。

多數(shù)學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)方法來研究焊接工件中的殘余應(yīng)力[3]，然而常規(guī)的試驗(yàn)研究無法得到厚板內(nèi)部的應(yīng)力分布。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得利用模擬軟件來研究焊接或熱處理過程中工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布變得相對容易。張磊等[4]模擬了雙絲窄間隙埋弧焊焊接過程，指出雙絲焊具有較大的熔敷率，焊接時電流波動對側(cè)壁熔合區(qū)幾乎無影響。DI LUOZZO N等[5]分析了感應(yīng)加熱碳鋼管工件的過程，通過調(diào)整參數(shù)，得到工件表面和內(nèi)部溫度隨感應(yīng)加熱工藝參數(shù)不同而變化的規(guī)律，為感應(yīng)加熱工藝參數(shù)的選取提供了依據(jù)。然而，大多數(shù)學(xué)者只是單獨(dú)地對埋弧焊熱過程或者感應(yīng)加熱過程的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行分析，并未涉及焊接后立即用感應(yīng)加熱進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理的研究，構(gòu)建一個焊接后立即消應(yīng)力的焊后熱處理數(shù)值模型具有十分重要的工程應(yīng)用價值。

本文使用ANSYS軟件，建立25號鋼的熱-力數(shù)值分析模型，研究埋弧焊焊接25號厚板鋼的溫度場與應(yīng)力場的分布規(guī)律以及焊后感應(yīng)消應(yīng)力熱處理后工件的殘余應(yīng)力分布及變化，并分析產(chǎn)生變化的機(jī)理。

1 數(shù)值分析模型的建立

1.1 埋弧焊熱-力模型

以尺寸700mm×130mm×40mm的25號鋼的埋弧焊為研究對象，建立了焊接過程的熱-力耦合模型，坐標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)置如圖1所示。所用焊接電流為647A，電弧電壓為32.9V，焊接速度為3.7mm·s-1，取熱輸入效率為0.9[6]。所用材料的各項(xiàng)參數(shù)詳見文獻(xiàn)[7]。

采用ANSYS進(jìn)行模擬，熱分析使用solid70單元，結(jié)構(gòu)分析使用solid185單元。焊接接頭處網(wǎng)格劃分密集，以適應(yīng)該處溫度較高且瞬時變化較大。本文使用的熱源是雙橢球熱源[8]，如圖1所示，計(jì)算時，焊縫區(qū)采用生死單元，且只考慮工件表面與空氣的對流換熱。

圖1 雙橢球熱源模型

1.2 感應(yīng)熱處理模型

本次研究主要針對焊后感應(yīng)熱處理對于降低厚板鋼工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的作用效果，所以熱處理溫度是關(guān)鍵。采取的方法是將感應(yīng)加熱熱處理隨時間變化的溫度作為熱載荷作用在焊接接頭上，以此來進(jìn)行焊后感應(yīng)熱處理應(yīng)力場的分析。

焊后感應(yīng)熱處理時，將直徑為26mm的感應(yīng)電纜纏繞成橢圓平面線圈，水平固定在焊縫所在的工件表面，如圖2所示。熱處理工藝為：焊后立即用保溫棉包裹工件，感應(yīng)加熱至550℃，保溫2h，然后冷卻至200℃解開保溫棉空冷。感應(yīng)加熱參數(shù)分別是：功率為1.5kW，電流為49.5A，頻率為10.6kHz。

圖2 感應(yīng)加熱線圈纏繞方式

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接溫度場

利用所建立的熱-力學(xué)模型，計(jì)算獲得了厚板埋弧焊平板堆焊瞬態(tài)溫度場。圖3給出了埋弧焊焊接厚鋼板過程中溫度場隨時間變化情況。可以看出，焊接剛開始時熔池尺寸隨焊接的進(jìn)行慢慢變大，在8s后尺寸基本不再改變，穩(wěn)定后的熔寬、熔深分別為26mm和8mm。焊接熔池跟隨焊接熱源移動，熔池內(nèi)最高溫度為1 800℃，焊接接頭處的溫度梯度由大到小依次為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。

圖3 焊接接頭瞬態(tài)溫度分布

2.2 焊接應(yīng)力場

經(jīng)過計(jì)算得到了平板埋弧堆焊的瞬態(tài)應(yīng)力場，圖4給出了焊接過程等效應(yīng)力場隨時間變化的瞬態(tài)分布。結(jié)果表明：焊接過程中熔池內(nèi)為液體，幾乎沒有等效應(yīng)力；焊接等效殘余應(yīng)力最大的區(qū)域是焊縫處，為251 MPa。從圖4(d)可以看出，焊接接頭冷卻至室溫，距離焊縫中心越遠(yuǎn)的區(qū)域，等效殘余應(yīng)力數(shù)值越小。接頭處等效殘余應(yīng)力數(shù)值由高到低依次為焊縫區(qū)233MPa、熱影響區(qū)189MPa、母材區(qū)51MPa，焊縫區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。

圖4 焊接接頭瞬態(tài)等效應(yīng)力分布

圖5(a)、圖5(b)分別為最終冷卻結(jié)束后焊縫殘余應(yīng)力沿x(垂直于焊縫方向)及z方向(熔深方向)的分布。由圖5(a)可知，殘余應(yīng)力在焊縫中心處最大，為233MPa。原因是焊縫中心溫度最高，所以熱應(yīng)力最大。從焊縫區(qū)向母材方向溫度逐漸降低，焊縫區(qū)的高溫通過工件材料的熱傳導(dǎo)將熱量傳遞給母材區(qū)，離焊縫中心區(qū)域越遠(yuǎn)，溫度越低，熱應(yīng)力越小，熱應(yīng)力減小的速率隨之減小。此外，焊縫中的約束應(yīng)力最大，熱影響區(qū)和母材區(qū)的較小，這是因?yàn)楹缚p區(qū)產(chǎn)生的變形比熱影響區(qū)和母材區(qū)大得多[1]。

圖5 焊后殘余應(yīng)力沿x、z方向分布

從圖5(a)中可知，在點(diǎn)(20mm、40mm、0mm)處的殘余應(yīng)力迅速降低，因?yàn)榇藚^(qū)域處于焊接接頭與母材區(qū)的交界處，焊接過程中，焊接接頭的溫度較高，比母材區(qū)的溫度高得多，因此接頭處的應(yīng)力集中比母材嚴(yán)重很多，殘余應(yīng)力也比母材區(qū)大很多，所以二者之間存在很大的殘余應(yīng)力梯度。

由圖5(b)可知，從z軸方向上看，等效殘余應(yīng)力在厚板表面一段距離內(nèi)開始變化不大，之后迅速減小，在厚板的底部趨于穩(wěn)定，在z方向0～20mm內(nèi)，殘余應(yīng)力穩(wěn)定在220～240MPa左右，在21～29mm內(nèi)急劇下降，在30～40mm范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定。這是由于焊接時在z軸方向上溫度梯度分布不均勻，圖3中溫度梯度先由1 800℃極速降到1 000℃，再由1 000℃降到500℃以內(nèi)，最終穩(wěn)定在室溫。溫度梯度逐漸減小，溫度梯度變化速率先穩(wěn)定再急劇減少，最終再趨于穩(wěn)定。

2.3 焊后感應(yīng)熱處理應(yīng)力場

焊接完成后立即進(jìn)行感應(yīng)加熱消應(yīng)力熱處理，計(jì)算熱處理后工件的殘余應(yīng)力分布。圖6給出了感應(yīng)后熱處理過程中不同時刻工件的應(yīng)力分布。比較圖6(d)和圖4(d)可以看出，感應(yīng)熱處理后，焊縫區(qū)的最大殘余應(yīng)力從233MPa減小到160MPa，熱影響區(qū)的從189MPa下降至135MPa，母材區(qū)的從51MPa下降至37MPa，母材區(qū)下降幅度相對較小。由此可以看出，本文所設(shè)計(jì)的感應(yīng)加熱后熱處理工藝能夠明顯降低工件中的殘余應(yīng)力。

圖6 感應(yīng)加熱過程中的等效應(yīng)力分布

圖7為焊后感應(yīng)熱處理前后不同方向等效殘余應(yīng)力對比。由圖7(a)可知，在x軸方向上焊后感應(yīng)熱處理前后的殘余應(yīng)力分布曲線走向基本相同。焊縫區(qū)的最大殘余應(yīng)力在熱處理后減小至160MPa，相比較熱處理前降低了30%。這是因?yàn)楦袘?yīng)熱處理時，工件溫度升高，屈服強(qiáng)度變小，從而使殘余應(yīng)力降低[9]。由圖7(b)可知，在z方向21mm處，熱處理前焊后工件中最大殘余應(yīng)力值為230MPa，經(jīng)過熱處理后下降到90MPa，最大降低了60%。由此證明，感應(yīng)焊后熱處理工藝能夠有效消除殘余應(yīng)力。

圖7 感應(yīng)加熱前后殘余應(yīng)力對比

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

埋弧焊焊接實(shí)驗(yàn)使用MZ-1000埋弧焊機(jī)，焊接材料與參數(shù)跟數(shù)值分析中所使用的一致。焊后橫向剖開焊道，利用OLS4100激光共聚焦顯微鏡觀察焊件熔池形狀，獲得焊縫輪廓，如圖8所示。從圖中可以看出，試驗(yàn)所得熔池寬度與計(jì)算值基本一致，但熔深有一定的誤差，模擬值較實(shí)測值略小。這可能是因?yàn)槟M時忽略熔池內(nèi)液體流動所致。

圖8 實(shí)驗(yàn)與模擬熔池輪廓對比

使用ASM2-3-X旋鈕式應(yīng)力檢測儀檢測焊接完成后工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，共測4個點(diǎn)，分別距離焊縫中心0mm、16mm、18mm、70mm。圖9是實(shí)驗(yàn)測得的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)與數(shù)值分析結(jié)果的對比，二者的相符程度較好。因此，模擬分析結(jié)果可以較為準(zhǔn)確地表征焊接過程及熱處理效果。

圖9 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析殘余應(yīng)力對比

4 結(jié)語

1)在本研究所確定的焊接參數(shù)下(焊接電壓為32.9V，焊接電流為647A)，埋弧焊焊接時焊縫中心的溫度最高，可達(dá)到1 800℃，熔寬和熔深分別為26mm和4mm，與試驗(yàn)結(jié)果基本符合。

2)焊接接頭處的焊后殘余應(yīng)力主要是拉應(yīng)力，焊縫區(qū)最大殘余應(yīng)力值為233MPa，熱影響區(qū)值為189 MPa，母材區(qū)值為51MPa。

3)焊后感應(yīng)熱處理工藝能明顯地消除接頭處的殘余應(yīng)力。在本文制定的工藝下(熱處理溫度550℃，保溫2h，緩冷至200℃后空冷)，焊縫區(qū)最大殘余應(yīng)力值為160MPa，熱影響區(qū)值為135MPa，母材區(qū)值為37MPa，焊縫區(qū)殘余應(yīng)力減小最多，達(dá)到30%。