中厚板CO2多层多道焊对接接头焊接残余应力及其分布

维普资讯 http://www.cqvip.com ３９４　西安理工大学学报Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（２ＯＯ７）Ｖｏ１．２３　Ｎｏ．４　文章编号：１００６—４７１０（２００７）０４—０３９４—０４　中厚板ＣＯ２多层多道焊对接接头　焊接残余应力及其分布　张敏，周小华，李继红，王莹　（西安理工大学材料科学与工程学院，陕西西安７１００４８）　摘要：阐述了焊接残余应力场数值分析的理论基础，确定了计算模型，并采用有限元数值方法模拟　计算了ＣＯ　多层多道焊对接接头焊接残余应力的大小及其分布。算例结果表明，模拟结果与试验　测试结果基本吻合，证明本文方法正确且有效。　关键词：残余应力；有限元；数值模拟；生死单元　中图分类号：ＴＧ４０１　文献标识码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｒｅｓｉｄｕａｌ　Ｓｔｒｅｓｓｅｓ　ｏｆ　Ｃｏ２　Ｍｕｌｔｉｐａｓｓ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　ｉｎ　Ｍｉｄ－Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　Ｐｌａｔｅ　ＺＨＡＮＧ　Ｍｉｎ，ＺＨＯＵ　Ｘｉａｏ—ｈｕａ，ＬＩ　ｊｉ—ｈｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｙｉｎｇ　（Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ　７　１　００４８。Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｔａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａ１　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｄｅｃｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ１．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｅ　ｍａｇｎｉｔｕｄｅ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎ　ＣＯ２　ｍｕｈｉｐａｓｓ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｎｕｍｅｒｉｃａＩ　ｓｉｍ—　ｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘａｍｐｌｅｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｆｏｕｎｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｉｎ　ｂａｓｉｃ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｏｓｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｅｓｔｓ，ｗｈｅｒｅｂｙ　ｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉＳ　ｃｏｒｒｅｃｔ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｉｄｕａ１　ｓｔｒｅｓｓ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ；ｎｕｍｅｒｉｃａ１　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｂｉｒｔｈ　ａｎｄ　ｄｅａｔｈ　ｏｆ　ｅｌｅｍｅｎｔ　在焊接过程中，焊接区以远高于周围区域的速　对焊接残余应力进行预测、测试和分析，掌握其产生　和存在的规律性，从而改善其分布特性，以延长构件　的使用寿命，预防失效事故是十分必要的　］。　随着计算机和有限元技术的发展，采用有限元　度被急剧加热，并局部熔化。同时焊接区材料受热　而膨胀，热膨胀受到周围较冷区域的约束，并造成弹　性热应力。而由于受热区温度升高后屈服极限下　降，因此热应力可部分地超过该屈服极限。结果焊　接区形成了塑性的热压缩，冷却后比周围区域相对　缩短、变窄或减小。因此，这个区域就呈现拉伸残余　应力，周围区域则承受压缩残余应力。另一方面，冷　却过程中的显微组织转变会引起体积的增加，如果　这种情况发生在较低的温度，而此时材料的屈服极　限足够高，则会导致焊接区产生压缩残余应力，周围　方法对焊接残余应力口“　进行数值模拟已成为研究　的热点。针对某型轴流压缩机焊接机壳中典型的　Ｃ０２多层多道焊对接接头，本文采用有限元数值方　法对其焊后残余应力场进行了详细分析。　１　焊接残余应力场数值分析的理论基础　１．１　热源模型　区域承受拉伸残余应力。以上均可称为焊接残余应　力。而焊接残余应力是影响构件强度和寿命的主要　因素之一［１］。当这些焊接构件投入使用时，它们所　焊接热源具有局部集中、瞬时和快速移动的特　点，易形成在时间和空间域内梯度都很大的不均匀　温度场，而这种不均匀温度场是形成焊接残余应力　和变形的根本原因，也是进行焊接力学分析的基础，　受载荷引起的工作应力与其内部的残余应力相叠　加，将导致焊接构件产生二次变形和应力的重新分　布，从而降低焊接构件的刚性和尺寸稳定性。因此，　收稿日期：２００７－０７—１６　因此建立一个合适的焊接热源模型是焊接模拟过程　中的重要部分。　作者简介：张敏（１９６７一），男，陕西西安人，教授，博士，研究方向为焊接结构安全评定。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈｍｍｎ＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ，ｃｎ。　维普资讯 http://www.cqvip.com 张敏等：中厚板ＣＯ　多层多道焊对接接头焊接残余应力及其分布　３９５　热源模型的选取是否合理，对于瞬态焊接温度　１．２生死单元技术　场的计算精度，特别对靠近热源的地方有很大影响。　本文采用生死单元技术来模拟焊缝填充的过　焊接热源的基本模型有：高斯热源模型和双椭球热　程。对于带坡口的对接焊缝，通过将全部有效的焊　源模型。高斯、双椭球两种热源模型是将焊接热流　接热输入量均匀分布在焊缝上，假设所有焊缝单元　直接施加在整个焊件上，在中厚板多层多道焊中，不　在计算前是不激活的。同时，在开始计算前，将焊缝　能模拟焊缝金属熔化和填充，无法模拟实际焊接过　中所有单元“杀死”；而在计算过程中，按顺序将被杀　程，而生死单元法能够克服这个缺点。并且由文献　死的单元逐个“激活”，依次来模拟焊缝金属的填充，　Ｅ５３的试验结果可以看出，在焊接热参数输入一致的　同时将激活的单元施加生热率，生热率的作用时间　情况下，高斯热源和双椭球热源计算出的焊件底部　为每完成一道焊缝的焊接时间，此步计算完成之后，　温度均低于金属的熔点，不能达到真正焊透的效果，　删除该部分单元的生热率，并使其冷却至层间温度。　而采用生死单元技术施加热载荷，焊件表面至焊件　然后激活下一道的单元，进行下一步的加载计算，直　底部的温度都能达到金属的熔点，确保整个工件能　至焊接完成。　被焊透，从而能够较好地模拟多层多道焊焊缝的温　度场。故本文采用了生死单元热源加载模式。　２　计算模型　考虑到计算的简便性，本文采用二维模型，以及　２．１焊接试样　在焊缝单元上加载均匀热流的热源模式，使单位体　试验材料为Ｑ３４５Ｃ，焊接性较好。试件尺寸为　积上的热流或者热生成率恒定。热源计算公式为：　５００　ｍｍｘ　５００　ｍｍｘ　４０　ｍｍ，焊接采用ＣＯ２气体保　ｑ一　㈩　护焊，分１６道焊完，焊缝坡口形式如图１所示。焊　接工艺参数：预热温度ｌ５Ｏ℃，焊接电压的范围为　式中【，厂为电压，　为电流，叩为电弧效率，Ｖ为热源　２８～３１　Ｖ，焊接电流的范围为１８０～２２０　Ａ。平均焊　作用体积。　接速度为１７～２０　ｍ／ｈ。　模型热源作用时间即加热时间通过经验公式　２．２力学模型　（２）进行计算：　考虑到对接焊缝的对称性，只取１／２试样进行　一一Ｌ　ｐＵＩ　（２）　网格剖分及计算。在划分网格时，在焊缝部位用较　式中　为热源移动速度，亦即焊接速度；Ｐ是经验　细密的网格，远离焊缝的区域采用较稀疏的网格，网　系数，取决于焊接方法和规范。对于焊接电流在　格划分如图２所示。有限元网格包括２　２７３个单　１００￣３００　Ａ的熔化极氩弧焊，Ｐ一３．８～４．８；对于　元，２　１６７个节点。假设材料各向同性且均匀，其随　焊接电流为１５０￣３７０　Ａ的埋弧焊，Ｐ一４。　温度而变化的热物理参数Ｌ６　如表１所示。高温时的　物理参数通过外推得到。　图１对接模型焊缝分布示意图　Ｆｉｇ．１　Ｂｕｔｔ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｇａｐ　图２有限元模型　Ｆｉｇ．２　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　维普资讯 http://www.cqvip.com ３９６　表１材料物理性能参数　西安理工大学学报（２００７）第２３卷第４期　Ｔａｂ．１　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　２．３边界条件的处理　采用热一应力耦合中的直接分析法，因此需要施　加热分析和结构分析的边界条件。焊接试板的初始　温度设为环境温度Ｔｏ一２０℃。　１）引弧时刻的初始条件为Ｔ—Ｔｏ。式中Ｔ是　试板上的温度；Ｔｏ为初始室温（２９８　Ｋ）。　２）试板和外界同时存在对流和辐射换热，在焊　接过程中，高温区域的面积相对较小，且焊接过程的　时间较短，所以在计算中忽略辐射换热的影响，仅考　虑对流换热。取对流换热系数为１３　ｗ／（ｍ。Ｋ），计　算时将焊缝与母材临界线以及各焊道之间的线设为　对流边界。以生热率的形式施加热源体载荷。沿焊　缝中心面施加对称约束，其它各面自由约束。　３结果与分析　图３～６分别给出了焊后纵向残余应力（平行于　焊缝方向）和横向残余应力（垂直于焊缝方向）在整　个试板截面上的分布云图以及试板上表面残余应力　计算结果与试验结果的对比。其中试验结果采用盲　孔测试法获得，测试所采用的试板尺寸及焊接工艺　和数值模拟模型相同。　ＮＯＤＡＩ．ＳｏＬＵ兀ＯＮ　ＳＴＥＰ＝＝４ｌ　ＳＵＢ＝ｌ０　．兀Ｎ咂＝ｌ３８００　ＳＺ（ＡＶＧ）　军　翠　晕　军　事　晕　晕　晕　晕军　Ｄ　０　．１３９Ｅ加３　叫　【ｉ】　叫　叫　叫　∞　叫　叫　．ｎ　ｎ　寸　０　卜、　Ｉｎ　ｆ　ＳＭＮ；＿２５３Ｂ卜ｏ７　一　叫　１　１　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　Ｄ　６８ｌＢ旧９　图３数值模拟的纵向残余应力　Ｆｉｇ．３　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　从图中可以看出，试板边缘在焊后产生了明显　的翘起，即角变形，角变形的趋势及数值大小、计算　结果与实测结果相近；而从残余应力的分布上来讲，　数值模拟的结果与实测的数据两者的分布和大小趋　势基本吻合。从图５的纵向残余应力分布图可知，　纵向残余应力在焊缝部分应力大，且为拉应力，应力　最大值达６１０　ＭＰａ，接近材料的屈服强度。随着离　Ｎ０ＤＡＬ　ＳｏＬＵ兀ＯＮ　ＳＴＥＰ＝＝４】　ＳＵＢ：ｌ０　１　任１－ｌ３８００　ｖＧＤ　Ｍ　Ｘ＝　．１３９Ｅ　－０３　晕晕晕晕翠量翠晕晕晕　垂妻重霉砉蠹墨　墨　景　囊　墨　查　望三　ＳＭＮ￣－．２６５Ｅ＋０９　与；　气ｉ与；　ｄ　ｄ　６　图４数值模拟的横向残余应力　Ｆｉｇ．４　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　塞　ｏ９ｒ　、　一＿　ＥＦＥｘＭ　ｐｅｒｉｍｅｎｔ　耋　：｝　。．　－２　。卜　－－　。　。＿Ｉ　。。。　－　－．．．．．．　．　．。）０　１２００　～ｌ§０　　Ｉｌ　加０　２Ｏ０Ｉ　３ｏＩ　＿　●＿　＿＿　－　＿＿　＿＿　＿　●■　２００　。　距焊缝中心的距离，ｍｍ　图５纵向残余应力分布图　Ｆｉｇ．５　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　至－２００　＿＿　‘　＿　＿．●＿Ｉ　ＩＩＩ　Ｉ，Ｉ　１　０　－＇２００～１００＿　｛　ｌ＿１００　２０ｏ一　３　ｑ　■　■　＿ｌ００　．　距焊缝中心的距离／■　ｍｒ　■　■　＿　一２００　。　■　图６横向残余应力分布图　Ｆｉｇ．６　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　开焊缝中心，拉应力迅速衰减为压应力，离焊缝距离　越远，应力趋近于平衡。原因是当热源移动到焊接　位置时，该部位逐渐开始加热，材料处于弹性变形范　围，在上表面的焊缝及近缝区，由于热膨胀而使该区　受到纵向压缩热应力作用。随着进一步加热，当热　应力超过材料的屈服极限，材料进入塑性变形范围，　产生了压缩塑性变形。随热源移动通过该位置后，　维普资讯 http://www.cqvip.com 张敏等：中厚板ＣＯｚ多层多道焊对接接头焊接残余应力及其分布　３９７　焊缝开始冷却，焊缝金属的强度渐渐恢复，焊缝及其　附近出现拉应力，最终形成了一定残余拉应力。横　向残余应力产生的直接原因，是来自焊缝冷却的横　向收缩，间接原因来自焊缝的纵向收缩。对于厚板　多道对接接头，板厚方向不同深度断面的残余应力　分布的不均匀程度进一步增大了。从图６可看出，　横向残余应力发生了振荡，可能是由于单元剖分以　及该部分单元在模拟过程中杀死以及激活导致计算　不稳定所致，具体原因有待进一步研究。横向拉应　力多发生在单边多道对接焊缝的根部焊道。横向残　余应力在焊缝中心由于受到周围的约束，而达到很　高的数值，随着远离焊缝中心逐渐降低，在熔合线附　近急剧升高，达到最大值，随后逐渐由拉应力变为压　应力。　４　结　论　１）利用本文所采用的热一应力耦合热弹塑性有　限元方法，可以有效地模拟出多层多道焊对接接头　的焊接残余应力分布；　２）对于多层多道焊接头，纵向残余应力在焊缝　及热影响区为拉应力，远离该区域为压应力；而横向　残余应力在焊缝及热影响区为拉应力，随测点远离　该区域，拉应力值逐渐降低至零。　参考文献：　［１］Ｔｓｏ—Ｌｉａｎｇ　Ｔｅｎｇ，Ｃｈｉｈ—Ｃｈｅｎｇ　Ｌｉｎ．Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｂｕｔｔ　ｗｅｌｄｓＥＪ］．Ｉｎｔｅ－　ｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅｓｓｅｌｓ　ａｎｄ　Ｐｉｐｉｎｇ，１　９　９　８　（７５）：８５７－８６４．　［２］鹿安理，史清宇，赵海燕，等（ＬｕＡｎ—ｌｉ，ＳｈｉＱｉｎｇ—ｙｕ，　Ｚｈａｏ　Ｈａｉ－ｙａｎ，ｅｔ　ａ１）．厚板焊接过程温度场、应力场的三　维有限元数值模拟（Ｔｈｒｅｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｉｃｋ　ｐｌａｔｅ）［Ｊ］．中国机械工程（Ｃｈｉｎａ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉ—　ｎｅｅｒｉｎｇ），２００１，１２（２）：１８３—１８６．　［３］汪建华，马继（Ｗａｎｇ　Ｊｉａｎ—ｈｕａ，Ｍａ　Ｊｉ）．计算机和数值模　拟技术在焊接中的应用（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒａｎｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ）［Ｊ］．电焊机（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ），２００１，３１（１２）：３—８．　［４］罗金华，梁晓燕，王春明，等（ＬｕｏＪｉｎ—ｈｕａ，ＬｉａｎｇＸｉａｏ—　ｙａｎ，Ｗａｎｇ　Ｃｈｕｎ－ｍｉｎｇ，ｅｔ　ａ１）．中厚板多道焊温度场和　应力场三维数值模拟（Ｔｈｒｅｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍ—　ｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｉｅｌｄｓ　ｉｎ　ｂｕｔｔ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｏｆ　ｍｉｄ—ｔｈｉｃｋ　ｐｌａｔｅｓ）ＥＪ］．电焊机（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｗｅｌｄ—　ｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ），２００６，３６（８）：３２—３５．　［５］陈家权，肖顺湖，吴刚，等（Ｃｈｅｎ　ｊｉａ—ｑｕａｎ，Ｘｉａｏ　ｓｈｕｎ—ｈｕ，　Ｗｕｇａｎｇ，ｅｔａ１）．焊接过程数值模拟热源模式的比较　（Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｍｏｄｅｌｓ　ｉｎ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａ－　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）［Ｊ］．焊接技术（Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｔｅｃｈ—　ｎｏｌｏｇｙ），２００６，３５（１）：９－１１．　［６］工程材料实用手册编辑委员会（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌ　Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　Ｍａｎｕａｌ　Ｅｄｉｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ）．工程材料实用　手册（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　Ｍａｎｕａ１）（３）［Ｍ］．　北京：中国标准出版社（Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｓｔａｎｄａｒｄｓ　Ｐｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｃｈｉ—　ｎａ），１９８９．３６—４６．　（责任编辑王卫勋）