考慮焊接殘余應力的5059鋁合金薄板焊接接頭疲勞強度研究

雷奇恒 徐雙喜 諶 偉

(武漢理工大學船海與能源動力工程學院 武漢 430063)

0 引 言

鋁合金具有比強度高、耐海水腐蝕性好、可焊性好、易加工成形等特點.不同來源的焊接鋁材在材料基本性能有著較大差異，其中5×××系列鋁合金作為最廣泛應用的船用鋁合金之一，在服役過程中表現出優(yōu)異的耐腐蝕性能，同時也具有易于焊接的特點[1-2].鋁的彈性模量是鋼的1/3，但熱膨脹系數是鋼的2倍，熱傳導速度是鋼的2.5～9倍.這意味著在焊接過程中加熱區(qū)域更大，焊縫及周圍區(qū)域變形也更大，船舶建造公差中鋁結構比鋼結構允許畸變的余量更大也反映了焊接鋁結構比鋼結構更容易表現出整體畸變這一點.船用鋁合金板的厚度多在5 mm以下，在焊接時容易產生初始缺陷，如殘余應力和初始變形等，會降低鋁合金焊接構件的疲勞強度.根據IIW推薦的鋁合金焊接構件疲勞強度曲線，鋁合金焊接構件的疲勞強度在12～71 MPa，鋁合金焊接構件的疲勞強度僅為極限強度的1/5甚至1/30[3].較低的疲勞強度等級和較大的焊接變形使得鋁合金焊接結構疲勞評定的準確性面臨挑戰(zhàn).因此，需要進一步的研究焊接殘余應力對船用鋁合金結構疲勞壽命造成的影響.

目前利用有限元法計算分析焊接結構殘余應力，并與試驗值進行對比分析來研究薄板焊接的行為是行之有效的方法.Deng等[4-5]從大變形、材料非線性和幾何非線性的角度研究低碳鋼薄板在焊接過程中的變形和殘余應力并與試驗結果進行比較，結果吻合較好.Kohandehghan等[6]評估了焊接夾具對鋁合金5251薄板在焊接殘余應力分布和數值的影響.Liu等[7]研究了不同強度薄鋼板搭接接頭的焊接變形，討論了不同屈服強度的搭接接頭角變形.Wu等[8]提出了基于固有應變的等效熱應變方法來預測薄板的焊接變形.Shen等[9]基于焊接角變形和初始焊接變形提出了修正的薄板對接接頭應力放大系數計算公式.Wang等[10]采用彈性有限元法研究了薄板結構中的焊接畸變特性.Ma等[11]研究了焊縫強化對5083 鋁合金焊接接頭拉伸、高周疲勞和疲勞裂紋擴展性能的影響.Irving等[12]研究發(fā)現6083-T6 鋁合金焊件的疲勞失效位置總是在焊趾處.

文中提出基于熱彈塑性方法對鋁合金焊接薄板進行間接熱力耦合分析，預測鋁合金5059薄板焊接結構的焊接殘余應力和溫度分布.將焊接殘余應力考慮進T型鋁合金薄板焊接接頭疲勞壽命評估中，并對比分析焊接殘余應力對疲勞評估結果的影響程度，以此提高鋁合金薄板焊接結構疲勞評估曲線的準確性.

1 焊接模擬過程

模擬焊接常用的方法有熱彈塑性法和固有應變法.熱彈塑性方法模擬了焊接過程中由于傳熱過程、金屬的熔化凝固，以及焊接過程中的相變引起的焊接殘余應力和焊接變形.在焊接過程中，焊件受到大量的局部熱輸入，產生相當不均勻的溫度場.在熔池形成過程中，熱源通過輻射和對流向焊件傳遞熱量.熱影響區(qū)母材溫度升高后，熱量主要通過傳導傳遞到遠離焊縫的區(qū)域.

焊接應力場分析需要將帶有溫度屬性的單元轉化為結構單元，并從熱分析的結果文件中讀取溫度載荷，進行殘余應力場的分析，得到焊接試件的殘余應力分布.由于應力場計算中單元的變形與幾何尺寸相比較大，此時線性疊加原理不再適用時，需要考慮“大變形效應”.基于熱彈塑性的間接熱力耦合模擬焊接過程的流程圖見圖1.

圖1 焊接模擬計算流程圖

2 疲勞試驗

2.1 試件幾何參數

為確定5059鋁合金T型接頭疲勞極限，針對5059 T型接頭開展相應的疲勞試驗.圖2為通過MIG焊接得到的板厚5 mm的T型焊接試件，試件各尺寸參數見表1.疲勞試驗加載設備為MTS-332疲勞試驗機，在試驗前需要對所有T型焊接接頭試件的焊縫噴涂試劑檢查試件表面裂紋，在疲勞試驗中使用的所有試件在焊縫處無明顯缺陷.疲勞試驗見圖3.

圖2 疲勞試件幾何尺寸

表1 焊接接頭尺寸參數 單位：mm

圖3 疲勞試驗

2.2 疲勞試驗結果

在疲勞試驗中按照四個載荷等級將試件分為四組，分別從高到低的載荷水平逐級進行疲勞壽命測試，試驗結果見表2，試件加載頻率為3～5 Hz，應力比為R=0.1.

表2 T型焊接試件疲勞試驗結果(R=0.1)

試驗結果顯示，試件裂紋萌生壽命占主導地位，小裂紋向長裂紋變化迅速完成，鋁合金5059焊接接頭斷裂過程明顯脆化.

依據表2中實驗數據統(tǒng)計結果，繪制T型焊接接頭名義應力S-N曲線，見圖4.圖4中存活概率Ps=97.7%的S-N曲線對應分散帶指數為1.15，疲勞強度為44.62 MPa.同時與IIW規(guī)范推薦的鋁合金焊接接頭疲勞評估曲線(FAT40曲線)進行比較.可以看出規(guī)范給出的T型焊接接頭疲勞強度過于保守，依據試驗擬合得到S-N曲線的反斜率高達3.84，遠高于規(guī)范推薦值3.

圖4 T型焊接接頭名義應力S-N曲線

3 有限元分析

3.1 模型尺寸及材料參數

與厚板相比，薄板焊接結構具有更復雜的焊接殘余應力分布.為準確獲得T型焊接接頭角焊縫附近的殘余應力分布，利用ANSYS有限元軟件APDL命令流對尺寸為100 mm×300 mm×5 mm的T型焊接接頭進行參數化建模，其中母板材料為5059鋁合金，腹板為球扁鋁.圖5為有限元模型及材料屬性.

圖5 有限元模型及材料屬性

3.2 焊接溫度場模擬

在數值模擬中，整個焊接過程分為加熱和冷卻兩個過程.焊縫金屬的填充過程對結構的應力應變場有重要影響，因此在焊接殘余應力分析中需要考慮焊縫金屬的填充過程，“生死”單元技術可以很好地模擬焊縫金屬的充型過程.它意味著在第一次焊接過程中，第二個焊接區(qū)域的單元被“殺死”，當第一次焊接完成后，這些單元將同時被激活.

T型接頭的焊接分為兩次，圖5a)中兩道焊縫依次進行焊接，每次焊接的加熱時間為100 s，冷卻時間為10 s.加熱時間步長為0.25 s，冷卻時間步長為1s，兩道焊縫結束后空冷3 600 s.整個焊接模擬過程持續(xù)3 820 s，對應的溫度場分布見圖6.505 9鋁合金詳細的MIG焊接參數見表3.

表3 5059鋁合金MIG焊接參數

圖6 焊接溫度場分布

為了直觀地了解焊接接頭的溫度場分布，選取角焊縫沿長度方向兩側各六個節(jié)點繪制溫度隨時間變化的曲線.焊縫兩側取樣點溫度隨時間變化曲線見圖7.由圖7可知：在焊接過程中，隨著熱源的移動，由于焊接熱源加載二次，各點的溫度先升高后降低.每個節(jié)點的溫度先升至最高溫度后下降.升溫速率明顯大于降溫速率.冷卻過程中，各節(jié)點溫度趨于恒定.

圖7 焊接模擬溫度場溫度-時間曲線

通過溫度場模擬得到的T型焊接試件角焊縫附近溫度-時間歷程曲線與文獻[13]中焊接溫度測量實驗結果吻合，兩者在焊縫附近取得的溫度-時間歷程曲線具有相同的變化趨勢，比較結果可以驗證焊接模擬溫度場的結果.

3.3 焊接殘余應力場模擬

在應力場分析中使用結構單元代替模型中的溫度場單元.同時為了消除模型的剛性位移，對焊接板進行約束，見圖8a).考慮到焊接殘余應力主要組成部分一般分為橫向殘余應力(垂直于焊縫方向)和縱向殘余應力(平行于焊縫方向).在焊接殘余應力場計算結果中沿圖8b)所示路徑方向提取殘余應力，得到T型焊接接頭角焊縫附近的殘余應力分布見圖9.

圖8 焊接應力場有限元模型

圖9 焊接殘余應力場分布

焊接殘余應力場的模擬結果與文獻[14]中焊接殘余應力場計算及實驗結果進行了比較，結果顯示縱向殘余應力與橫向殘余應力在靠近角焊縫趾端的底板表面處具有相同趨勢的分布.

3.4 熱點應力計算

由于未考慮焊接錯位和變形引起的二次彎曲效應，薄板結構名義應力評估曲線具有較大的不確定性.而熱點應力以熱點位置的最大結構應力或幾何應力作為應力提取的參考值，分析結構幾何變化對焊接結構的應力集中效應.熱點應力外推法是目前確定熱點應力最常用的方法，也是大多數分類學會推薦的評價方法.為探究焊接殘余應力對T型鋁合金薄板焊接接頭疲勞性能的影響，基于ABAQUS/Standard分析模塊，利用實體單元對焊接接頭進行三維建模并進行熱點應力分析.考慮到焊接接頭幾何尺寸及熱點應力計算要求，模型網格尺寸設置為t×t，熱點應力計算模型見圖10.

圖10 熱點應力分析模型

為考慮焊接殘余應力的影響，分別計算不考慮殘余應力的模型1和考慮殘余應力的模型2的熱點應力結果，得到四種載荷等級下熱點應力集中系數計算結果見表4.

表4 熱點應力集中系數

4 疲勞強度評估

依據模型1與模型2熱點應力計算結果，繪制了T型焊接接頭熱點應力S-N曲線，見圖11.模型1對應存活概率Ps=97.7%的S-N曲線的分散帶指數為1.5，2×106次數對應的疲勞強度為51.48 MPa，反斜率為3.74；模型1對應存活概率Ps=97.7%的S-N曲線的分散帶指數為1.12，2×106次數對應的疲勞強度為70.04 MPa，反斜率為4.52.考慮焊接殘余應力的疲勞曲線具有更小的分散帶系數，表示疲勞評估曲線與疲勞試驗數據更加接近.同時兩種疲勞評估曲線與IIW規(guī)范推薦的鋁合金T型焊接接頭疲勞評估曲線(FAT40曲線)進行比較，兩種曲線均具有比規(guī)范推薦值更大的反斜率與疲勞強度值，表明IIW規(guī)范對于T型鋁合金薄板焊接接頭的疲勞評估較為保守，綜上可以得出考慮焊接殘余應力擬合出的S-N曲線更能真實反映出T型鋁合金薄板焊接接頭的疲勞壽命.

圖11 T型焊接接頭熱點應力S-N曲線

5 結 論

1) 通過對T型鋁合金薄板焊接試件三維模型進行焊接溫度場與應力場分析，得到T型焊接試件角焊縫附近的焊接溫度和殘余應力分布，并將焊接溫度場和應力場計算結果與文獻中的數值計算結果及試驗結果進行比較，驗證了運用有限元法對焊接殘余應力進行預測的準確性.

2) 將不考慮焊接殘余應力與考慮焊接殘余應力的T型鋁合金薄板焊接接頭的熱點應力疲勞評估曲線進行對比，發(fā)現在對薄板鋁合金焊接接頭進行疲勞評估時考慮焊接殘余應力能夠明顯降低疲勞評估曲線的分散帶指數，擬合得到的疲勞評估曲線可以更加真實地反映出疲勞試驗中試件的疲勞壽命，提高了T型鋁合金薄板焊接接頭的疲勞評估精度.