張錦洲

熊禾根(冶金裝備及其控制教育部重點實驗室(武漢科技大學(xué))，湖北 武漢 430081)

楊 雄(長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

16MnR窄間隙焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬

熊禾根(冶金裝備及其控制教育部重點實驗室(武漢科技大學(xué))，湖北 武漢 430081)

楊 雄(長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

16MnR是一種應(yīng)用廣泛的壓力容器用鋼，窄間隙焊接是其主要連接手段，采用雙橢球形熱源，運用數(shù)值模擬分析其焊后殘余應(yīng)力，得出其分布規(guī)律，對壓力容器的制造生產(chǎn)提供了有益的幫助。

16MnR；雙橢球形熱源；殘余應(yīng)力；數(shù)值模擬

16MnR是制作壓力容器的專用鋼板，其強度較高、塑性韌性良好，屬低合金高強度鋼，應(yīng)用較為廣泛。壓力容器制造中的主要的連接手段即為焊接，尤其是采用窄間隙時，焊接無需開坡口，大大節(jié)省了填充金屬，節(jié)約了勞動時間。但焊后容易產(chǎn)生未焊透及夾渣等缺陷，形成較大焊接殘余應(yīng)力影響其質(zhì)量及壽命[1]。因此，分析16MnR窄間隙焊接殘余應(yīng)力有著極其重要作用。

1 16MnR窄間隙焊接數(shù)值模擬

1.1建立平板對接接頭有限元模型

采用sysweld軟件建模，建立40mm×3mm×90mm的模型，建模、網(wǎng)格劃分如圖1，圖2。在模型的網(wǎng)格化分中焊縫區(qū)的網(wǎng)格密集一些，而非焊縫區(qū)的網(wǎng)格疏一些。這樣既減少了總體的運算量，又能保證計算精度。

圖1 建模

圖2 網(wǎng)格劃分

1.2材料的性能參數(shù)

被焊金屬材料的性能，包括機械性能諸如彈性模量、屈服應(yīng)力、泊松系數(shù)、熱應(yīng)變、應(yīng)變硬化，熱學(xué)性能諸如線脹系數(shù)、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、焓值等，都會直接影響到焊接質(zhì)量的好壞。焊接過程是高溫過程，各項性能參數(shù)會隨溫度而變化。16MnR的彈性模量隨溫度增高而下降,其中E=E0(1-25αT)。其中E0是溫度T=0℃時的彈性模量E值，α是材料的線脹系數(shù)，線脹系數(shù)α隨溫度增高而有所增大；材料的屈服強度隨著溫度的降低與應(yīng)變速率的增高而升高；比熱容隨溫度升高而增加,在低溫時增加較快,在高溫時增加較慢[2]。其他參數(shù)采用插值法確定。

1.3焊接熱源的校核

圖3 雙橢球功率密度分布熱源圖

1)熱源模型 焊接熱源模型，可以認為是對作用于焊件上的、在時間域和空間域上的熱輸入分布特點的一種數(shù)學(xué)表達。熱輸入一般可用溫度、熱流、生熱率或熱流密度等來表示。在焊接數(shù)值模擬問題中，焊接熱源模型是以一個熱輸入邊界條件的形式結(jié)合到數(shù)值分析模型中去的。筆者選擇雙橢球型熱源模型，如圖3。由于熱源具有一定移動速度，因此熱源中心前面的功率密度梯度較大，而熱源中心后面的功率密度梯度較小。根據(jù)這一特征，雙橢球功率密度分布熱源模型把熱源拆分為2部分，有2個1/4 橢球功率密度分布熱源按比例組合而成，熱源中心前面的橢球長半軸比熱源中心后面的橢球長半軸短，寬半軸及高半軸相同[3]。

這種模型將前半部分作為一個1/4 橢球, 后半部分作為另一個1/4 橢球。其數(shù)學(xué)表達式為：

(1)

式中，q為熱通量,J·m-2·s-1；x,y,z是相對于熱源中心的坐標,mm；Q1,2是熱源前半球和后半球的能量密度,J/m3；a1，a2，b，c是與熔池形狀相關(guān)的參數(shù),mm。

根據(jù)式(1)可知，熱源中心前面的熱流分布比后面的熱流分布要陡得多，而后面的熱量分布要較前面多。橢球的2個特征參數(shù)a與b可以改變熱流強度以及控制體積中的熱流分布，從而決定了焊接熱模擬的熔池形狀，a與b得取值應(yīng)當使模擬的熔池形狀和實驗測定的熔池形狀相吻合。對于手工電弧焊形成的焊接溫度場，橢球特征參數(shù)a與b的取值應(yīng)當使模擬的熔池形狀和實驗測定的熔池形狀相吻合[3-4]。對于手工電弧焊形成的焊接溫度場，橢球特征參數(shù)a、b和c可以分別表示為：

a≈1.3×WWidthb≈1.3×WDepthc≈WDepth

式中，WDepth為焊縫深度；WWidth為焊縫寬度。

2)熱源的校核 焊接熱源的校核是十分重要的一步，是仿真模擬的重點，通過不斷的反復(fù)試驗查看，得到理想的焊縫時的參數(shù)。經(jīng)模擬，得如圖4所示熱源。此時焊縫成形合理，未出現(xiàn)焊接缺陷。

1.4焊接參數(shù)的定義

焊接功率為1200kW，焊接方法選擇手工電弧焊，板材兩端選擇剛性約束。

2 結(jié)果與分析

2.1溫度場

焊接開始時, 隨著熱源的移動，焊縫及其熱影響區(qū)升溫很快，在極短時間內(nèi)即可達到材料的熔化溫度以上，熱源移動過后又立即降溫。圖5為焊接進行7s后的的溫度場分布云圖，可以看出，圍繞焊縫中心溫度場對稱分布，焊縫中心處溫度最高，向2側(cè)逐漸遞減，冷卻速度較快。

圖4 熱源模擬圖

圖5 焊接7s后溫度場分布云圖

2.2應(yīng)力場

圖6所示為焊接后400s的殘余應(yīng)力分布云圖，可以看出，焊接殘余應(yīng)力分布區(qū)域有限，主要存在于焊縫區(qū)及熱影響區(qū)，而其他部位基本沒有殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力沿焊縫呈對稱分布。由圖6(a)可以看出，焊接殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)在焊縫與基體材料交界處，即熔合線附近。由圖6(b)可以看出，殘余應(yīng)力最大值不是出現(xiàn)在板材的中心部位，而是出現(xiàn)在偏向板材背面一側(cè)的部位。

圖6 焊接后400s的殘余應(yīng)力分布云圖

3 結(jié) 論

1)模擬手工電弧焊可以采用雙橢球形熱源。

2)16MnR窄間隙焊接殘余應(yīng)力主要集中在焊縫與熱影響區(qū)的交界處，且最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在偏向板材背面一側(cè)的部位。

[1]薛小龍，王志亮，桑芝富，等.壓力管道在線焊接數(shù)值模擬 [J].機械強度，2007(1)：118-123.

[2] 武傳松.焊接熱過程與熔池形態(tài) [M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3] 朱平. 焊趾TIG熔修后激冷處理對接頭殘余應(yīng)力及疲勞強度的影響 [D].大連：大連交通大學(xué)，2011.

[4]孫文婷，萬正權(quán).對接殘余應(yīng)力的有限元分析 [J].船舶力學(xué)，2007(1)：94-101.

[編輯] 洪云飛

TG404

A

1673-1409(2012)05-N161-03

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.05.053

2012-02-24

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2011BAB05B02)。

張錦洲(1976-)，男，1998年大學(xué)畢業(yè)，講師，博士生，現(xiàn)主要從事材料加工方面的教學(xué)與研究工作。