焊縫寬度對碳鋼對接接頭殘余應(yīng)力分布的影響

劉振雄，張光凱，馬春偉，吳全龍

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201620；2.上海華理安全裝備有限公司，上海 201108)

焊接是一個熱密集型的過程，它會改變材料的局部性能(組織、硬度和屈服強度等)，并引入焊縫缺陷、應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力等問題，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能都會因此而受到影響[1-3]。焊接技術(shù)使鋼結(jié)構(gòu)的連接簡單方便，但由于幾何不連續(xù)，焊接缺陷和殘余應(yīng)力等的出現(xiàn)，尤其是在循環(huán)加載下，焊縫部位容易成為結(jié)構(gòu)的裂紋萌生點繼而引發(fā)疲勞斷裂。

很多學(xué)者研究了焊接結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接構(gòu)件中拉伸殘余應(yīng)力減小時，可以提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和疲勞強度，甚至在焊接接頭區(qū)域引入殘余壓應(yīng)力也是有益的改善措施[4-6]。Fei等[7]考慮焊件尺寸的影響，模擬出焊縫處的殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)焊件尺寸對焊縫的局部應(yīng)力分布有一定的影響。Wang等[8]研究發(fā)現(xiàn)焊接順序?qū)型接頭內(nèi)殘余應(yīng)力分布影響較小，但對腹板內(nèi)殘余應(yīng)力分布影響較大。周建新等[9]對焊接薄板尺寸效應(yīng)進(jìn)行了探討, 發(fā)現(xiàn)過渡板寬度和長度會改變焊接殘余應(yīng)力。

課題組利用ABAQUS軟件建立了Q235A鋼對接焊接殘余應(yīng)力有限元模型，采取“生死單元”方法模擬仿真熔滴填充焊縫的過程來達(dá)到多層焊目的，采用順序耦合方法對焊接應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值分析。其中通過FORTRAN語言編寫的子程序來達(dá)到電弧擺動效果。焊接時不開坡口，也不考慮焊趾處的應(yīng)力集中，重點研究焊縫寬度對焊縫和熱影響區(qū)域局部高溫而生成的殘余應(yīng)力的影響。

1 試驗

1.1 試樣

平板焊接接頭的母材為12 mm厚的低碳鋼板Q235A，焊接金屬采用高強度低合金鋼焊條JM56，其力學(xué)性能和化學(xué)成分如表1和表2所示。裝配時在起弧和收弧處分別焊接固定塊，窄間隙焊縫底部焊接引弧板。采用輔助板固定焊接板的兩側(cè)，避免焊接過程中過度彎曲變形。焊接方法采用窄間隙擺動電弧焊，該方法有利于焊接接頭的側(cè)壁融合。其中，5和10 mm焊縫寬度均為單層焊，焊接電流200.0 A，焊接電壓20.0 V，焊接速度2.5 mm/s；15和20 mm焊縫寬度為雙層焊，焊接電流250.0 A，焊接電壓28.0 V，焊接速度2.5 mm/s。圖1和2所示為焊縫寬度10 mm的對接接頭試件及其幾何尺寸示意圖。

表1 材料力學(xué)性能

表2 材料化學(xué)成分

圖1 對接接頭

圖2 試驗工件幾何尺寸

1.2 殘余應(yīng)力測量

殘余應(yīng)力的測量方法可分為物理方法和機械方法。物理方法包括x射線法和超聲波法等，其優(yōu)點是不會對構(gòu)件產(chǎn)生破壞[10]；而機械測試方法如鉆孔法(盲孔法)，簡潔明確，但會對構(gòu)件造成破壞性損傷。

焊接殘余應(yīng)力測試點如圖3所示，一共有8個測試點，分別處在焊縫區(qū)域、熱影響區(qū)域和母材區(qū)域。

圖3 殘余應(yīng)力測試點分布

2 有限元分析

2.1 有限元模型

利用ABAQUS有限元軟件平臺，建立了Q235A鋼對接焊接殘余應(yīng)力有限元模型。首先，計算了給定焊接條件下的溫度場；隨后，將各單元節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)作為加在模型中的載荷來計算殘余應(yīng)力。有限元模型如圖4所示，模型長寬、厚度以及焊道的起弧位置與實際焊接接頭完全一致。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，為了提高工作效率，從焊縫到母材邊緣區(qū)，采用過渡網(wǎng)格劃分方法，網(wǎng)格由密集變稀疏。4種模型的單元數(shù)、節(jié)點數(shù)和單元類型如表3所示。采取“生死單元”方法模擬仿真熔滴填充焊縫的過程來達(dá)到多層焊目的[11]。

圖4 有限元模型

表3 模型網(wǎng)格類型

2.3 熱源模型

熱力耦合和順序耦合是焊接應(yīng)力場數(shù)值分析中最常采用的2種方法。直接耦合是利用ABAQUS的溫度位移耦合模型，一次分析計算直接得到焊接的溫度場及應(yīng)力場；順序耦合是分別建立溫度場及應(yīng)力場2個數(shù)值分析模型，單獨計算溫度場及應(yīng)力場。本文中研究焊接過程采用熱力耦合方法建模，熱分析采用Goldak提出的雙橢球熱源對焊接加熱過程進(jìn)行了模擬[12-13]，并采用ABAQUS DFLUX用戶子程序?qū)ζ溲睾附臃较虻倪\動進(jìn)行了建模，利用FORTRAN語言編寫的子程序來模擬擺動電弧焊得到對接接頭。

前半橢球熱源：

(1)

后半橢球熱源：

(2)

式中：q是熱流密度；Qf和Qr是熱源能量;af,ar,b和d是橢球的半軸長度，彼此獨立;f1和f2分別表示第1和第2半橢球面的能量分布系數(shù)。

為了考慮熱損失，對流和輻射都被考慮在內(nèi)。

焊接過程中存在對流和輻射，分別遵循Newton和Stefan-Boltzman定律：

qc=-hc(Ts-T0);

(3)

qr=-ε0σ0[(Ts+273)4-(T0+273)4]。

(4)

式中：qc表示熱對流換熱系數(shù)；qr表示熱輻射系數(shù)；hc=10 W/(m2·K-1)為傳熱系數(shù);Ts,T0分別為表面溫度和環(huán)境溫度;ε0=0.9,為輻射率;σ0=5.67×10-8W·m-2·K-4為玻爾茲曼常數(shù)。

2.3 熱分析

有限元模型中的傳熱在焊接過程中遵循基本控制方程：

(5)

熱向量q遵循非線性各向同性傅里葉熱流本構(gòu)方程：

(6)

式中k是隨溫度變化的導(dǎo)熱系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 殘余應(yīng)力分布

圖5所示為4個對接接頭在不同焊縫寬度下的縱向殘余應(yīng)力分布云圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，在給定的情況下，平板對接接頭模型左右兩邊殘余應(yīng)力分布幾乎是相同的。這主要是因為對接接頭空間形狀對稱，對接焊接時采用了相同的焊接參數(shù)。

對比圖5中的應(yīng)力云圖可知，焊縫寬度對對接接頭縱向拉伸和壓縮殘余應(yīng)力略有差異。4種情況下殘余應(yīng)力的縱向分布相似，拉伸殘余應(yīng)力主要集中在焊縫區(qū)以及熱影響區(qū)，焊縫中心處的拉伸殘余應(yīng)力達(dá)到峰值，超過焊縫材料與母材的屈服強度；在遠(yuǎn)離焊縫的同時，拉伸殘余應(yīng)力逐漸變?yōu)閴嚎s殘余應(yīng)力，在母材邊緣處趨近于零。這是因為在窄間隙擺動電弧焊過程中，焊絲和母材經(jīng)歷了快速加熱和快速冷卻的過程。

圖5 縱向殘余應(yīng)力分布

圖6比較了4種情況下的橫向殘余應(yīng)力分布結(jié)果。在焊縫中，橫向殘余應(yīng)力具有較低的拉應(yīng)力。在焊縫相鄰2邊，即熱影響區(qū)會有2個高拉應(yīng)力區(qū)。在遠(yuǎn)離焊縫的同時，拉應(yīng)力逐漸降為0，并向壓縮方向轉(zhuǎn)變。對比圖5的應(yīng)力結(jié)果可以得出焊縫寬度對橫向殘余應(yīng)力分布的影響比縱向殘余應(yīng)力分布的影響更顯著。這是因為垂直于焊縫方向的橫向約束比平行于焊縫方向的橫向約束小得多，所以橫向應(yīng)力對焊縫寬度更為敏感。其影響因素主要是拉應(yīng)力區(qū)域的范圍和殘余拉應(yīng)力的大小。

圖6 橫向殘余應(yīng)力分布

3.2 實驗結(jié)果與仿真結(jié)果比較

圖7所示為利用鉆孔法獲得殘余應(yīng)力的測量設(shè)備，測量結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，模擬殘余應(yīng)力計算數(shù)值與試驗結(jié)果的分布趨勢基本吻合，說明該模型的建立是具有可行性的。由圖8可知：焊縫寬度對沿路徑1縱向殘余應(yīng)力分布的影響較??；橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力呈對稱分布；4種焊縫寬度在焊縫中心50～100 mm處存在一個穩(wěn)定的高拉應(yīng)力區(qū)，最大縱向殘余應(yīng)力值非常接近，分別為240，249，239和238 MPa，均超過了焊縫的屈服強度230 MPa,而在起弧和收弧處都逐漸降為0;與縱向殘余應(yīng)力不同，圖8(b)顯示焊縫寬度對橫向殘余應(yīng)力分布有顯著影響，最大殘余應(yīng)力是在接近于起弧和收弧區(qū)域，表現(xiàn)為壓縮殘余應(yīng)力，其中5和20 mm對接接頭殘余應(yīng)力最大;在距焊縫中心50～100 mm處，4種焊縫寬度下的殘余橫向應(yīng)力值差異較大，5和10 mm焊縫寬度的橫向殘余應(yīng)力趨近于0，15和20 mm焊縫寬度的橫向應(yīng)力表現(xiàn)為較小的拉伸殘余應(yīng)力。

圖7 鉆孔法測量殘余應(yīng)力

圖8 殘余應(yīng)力沿路徑1分布

圖9所示為沿路徑2的殘余應(yīng)力分布情況。在4種焊縫寬度下，焊縫起弧和收弧處均表現(xiàn)為壓縮殘余應(yīng)力，焊縫中心處則為拉伸殘余應(yīng)力。5 mm焊縫寬度的縱向殘余拉伸應(yīng)力最高，這是因為焊槍的擺動半徑接近甚至超過焊縫寬度，使得該區(qū)域的溫度不均勻。20 mm對接接頭焊縫中心橫向殘余應(yīng)力達(dá)到屈服強度級別，這說明殘余應(yīng)力大小與焊縫寬度具有密切相關(guān)性。

圖9 殘余應(yīng)力沿路徑2分布

從圖10可以看出，殘余應(yīng)力沿路徑3方向的分布與焊縫寬度密切相關(guān)。在4種焊縫寬度下，焊縫寬度為15 mm對接接頭的縱向殘余應(yīng)力較小且較穩(wěn)定，有利于接頭的力學(xué)性能。即使是在焊縫處和熱影響區(qū)也小于90 MPa，該級別應(yīng)力不影響接頭強度。5 mm對接接頭橫向殘余應(yīng)力在熔合區(qū)和熱影響區(qū)表現(xiàn)為壓縮應(yīng)力，數(shù)值較大，接近焊縫的屈服強度230 MPa，不利于焊縫的強度。

圖10 殘余應(yīng)力沿路徑3分布

從圖11可以看出，在4種焊縫寬度下，殘余應(yīng)力的縱向和橫向分布趨勢基本一致。各對接接頭殘余應(yīng)力先是在熱影響區(qū)達(dá)到一個峰值，5 mm焊縫寬度縱向殘余應(yīng)力達(dá)到252 MPa，20 mm焊縫寬度縱向殘余應(yīng)力達(dá)到262 MPa，縱向殘余應(yīng)力峰值隨焊縫寬度的增加而增大,只有15 mm焊縫寬度的縱向殘余應(yīng)力峰值小于屈服強度。

圖11 殘余應(yīng)力沿路徑4分布

4 結(jié)語

課題組建立了一種利用雙橢球擺動熱源進(jìn)行窄間隙焊接的平板對接模型，利用焊縫非線性熱彈塑性有限元法計算表明殘余應(yīng)力與試驗吻合較好，證明提出的模型具有可行性。通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)：隨著焊縫寬度增大，對接接頭高拉應(yīng)力區(qū)寬度和最大拉應(yīng)力值隨之變大；從控制焊接殘余應(yīng)力的角度出發(fā)，建議在Q235A型對接接頭的制作中采用15 mm焊縫寬度。

后期工作，應(yīng)著重研究焊縫寬度改變對殘余應(yīng)力分布的影響，進(jìn)而探究對接接頭疲勞壽命的變化規(guī)律，從而為焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預(yù)測提供參考。