趙 秋， 郭智勇， 袁輝輝， 陳美忠

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州 350116)

混合鋼U肋加勁板焊接殘余應(yīng)力影響因素分析

趙 秋， 郭智勇， 袁輝輝， 陳美忠

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州 350116)

建立三維熱彈塑性有限元模型， 對混合鋼U肋加勁板的焊接溫度場和應(yīng)力場進行模擬， 并應(yīng)用盲孔法殘余應(yīng)力測試試驗驗證了該數(shù)值模擬方法的正確性. 應(yīng)用經(jīng)驗證的焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬方法， 研究散熱系數(shù)、 焊接有效功率、 熔池面積大小、 焊接速度變化對混合鋼U肋加勁板焊接殘余應(yīng)力分布與大小的影響. 結(jié)果顯示， 焊接有效功率對混合鋼U肋加勁板的殘余應(yīng)力分布的影響最大， 其次為熔池面積及焊接速度， 散熱系數(shù)影響很小； 母板和U肋的殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力大小、 殘余拉應(yīng)力區(qū)分布寬度、 母板殘余拉應(yīng)力合力和殘余壓應(yīng)力合力， 與焊接有效功率和熔池面積大小成正比變化， 與焊接速度成反比變化； 而U肋殘余拉應(yīng)力合力和殘余壓應(yīng)力合力， 與焊接有效功率成正比變化， 與熔池面積大小和焊接速度成反比變化.

鋼橋； 焊接殘余應(yīng)力； 熱彈塑性； 有限元模擬； 混合鋼U肋加勁板

0 引言

帶U肋的加勁板是橋梁鋼箱梁頂?shù)装宓闹饕芰?gòu)件. 如U肋與母板采用不同強度等級的鋼材進行設(shè)計， 可提高材料的使用效率， 這樣的加勁板稱為混合鋼U肋加勁板. U肋與母板連接處在電弧焊接過程中， 由于局部急劇加熱使得焊縫及其附近區(qū)域的溫度分布極不均勻， 焊接過程中不可避免要產(chǎn)生殘余應(yīng)力[1]. 為了解焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)受力性能的影響， 研究者采用多種試驗方法來預(yù)測焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分布， 如X射線法、 磁測法、 切條法、 盲孔法等[2-5]. 隨著應(yīng)用有限元方法的計算機技術(shù)的進步， 可以借助數(shù)值模擬技術(shù)分析焊接結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力分布[6-9]. 但在數(shù)值模擬過程中， 一些參數(shù)的選取往往會對殘余應(yīng)力分布產(chǎn)生較大影響. 因此， 本研究首先采用較為精確的盲孔法驗證混合鋼U肋加勁板的數(shù)值模擬方法的正確性， 再研究數(shù)值模擬相關(guān)參數(shù)對混合U肋加勁板焊件縱向殘余應(yīng)力分布與大小的影響， 從而為得到較為精確的數(shù)值模擬結(jié)果提供依據(jù).

1 盲孔法殘余應(yīng)力試驗驗證

1.1 試件設(shè)計

圖1 殘余應(yīng)力測試試件斷面圖(單位： mm )

在鋼箱梁的頂、 底板上， 橫橋向選取含有3個U肋的加勁板作為試驗構(gòu)件進行殘余應(yīng)力分布試驗， 試件尺寸由實橋按1 ∶2.5比例縮尺得到， 縮尺后試件尺寸如圖1和表 1所示. 試件長度為600 mm. 試件考慮了U肋加勁板按混合鋼設(shè)計時U肋與母板的3種強度組合情況.

表1 試件主要參數(shù)表

1.2 有限元模型

利用試件的對稱性對有限元模型進行簡化， 模型可采用1個U肋與其相鄰的母板的一半， 根據(jù)文獻[10]試件長度取150 mm， 焊縫構(gòu)造按圖2要求建立. 為精準(zhǔn)模擬混合鋼U肋加勁板的焊接殘余應(yīng)力場， 采用ANSYS有限元軟件建立考慮熱彈塑性的三維有限元模型， 采用生死單元法模擬焊縫填充和焊接熱輸入過程， 對混合鋼U肋加勁板的焊接溫度場和應(yīng)力場進行模擬， 有限元模型如圖3所示. 熱源移動速度為10 mm·s-1， 時間步長為0.2 s， 試件最后冷卻至室溫狀態(tài). 數(shù)值模擬中， 忽略熔池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)， 焊接電流、 電壓及速度為恒定值. 其它有關(guān)數(shù)值模擬未說明情況參照文獻[10].

圖2 U肋加勁板焊縫示意圖(單位： mm)

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分

圖4 焊接殘余應(yīng)力實測值與理論計算值比較

1.3 殘余應(yīng)力結(jié)果驗證

采用盲孔法對混合鋼U肋加勁板進行殘余應(yīng)力測試， 測點殘余應(yīng)力平均值與有限元模擬結(jié)果如圖4所示. 由圖4可以看出， 有限元模擬結(jié)果與試驗所得殘余應(yīng)力測試值基本相吻合， 并補充了試驗測點間的殘余應(yīng)力分布趨勢， 驗證本文所用數(shù)值模擬方法的正確性.

2 影響因素分析

2.1 散熱條件變化對殘余應(yīng)力分布的影響

散熱條件是指焊接過程中結(jié)構(gòu)表面邊界的熱損失情況， 包括對流與輻射換熱. 為方便計算， 引用一個總傳熱系數(shù)β，β=βc+βe， 其中：βc為對流換熱系數(shù)，βe為輻射換熱系數(shù). 由于操作在室內(nèi)進行， 取傳熱系數(shù)βe為13W·(m2·K)-1， 在所有外表面均施加換熱邊界條件. 以試件Hj1為基礎(chǔ)(母板為Q345，U肋為Q235， 后續(xù)分析中相同)， 分析散熱系數(shù)變化對殘余應(yīng)力分布影響如圖5所示， 圖中1.0β為實際環(huán)境下的散熱系數(shù)， 0.8β為當(dāng)前散熱系數(shù)的0.8倍， 1.2β為當(dāng)前散熱系數(shù)的1.2倍. 從圖5可以看出， 隨著散熱系數(shù)由0.8β增大至1.2β， 母板和U肋的殘余應(yīng)力分布基本不變.

(a) 母板殘余應(yīng)力分布

(b) U肋殘余應(yīng)力分布

2.2 焊接有效功率對焊接殘余應(yīng)力分布的影響

焊接有效功率的大小是決定焊接溫度場及焊接應(yīng)力場分布的主要因素之一. 在數(shù)值模擬中， 每個載荷施加的生熱率如下：

式中：Q為焊接電弧的有效功率， W；I為焊接電流， A；U為焊接電壓， V；η為焊接熱效率；Aweld為焊縫的橫截面積， m2；v為焊接速度， m/s. 由公式(1)可以看出， 焊接有效功率大小由焊接電流、 電壓和熱效率決定. 由于單獨分析焊接電流、 電壓和熱效率對殘余應(yīng)力分布的影響， 與分析有效功率的效果相同， 故本文不再單獨分析焊接電流、 電壓和熱效率的影響. 有效功率變化對殘余應(yīng)力分布影響如圖6所示， 圖中1.0Q為實際焊接有效功率， 0.8Q為有效功率的0.8倍， 1.2Q為有效功率的1.2倍. 從圖6可以看出， 隨著焊接有效功率值由0.8Q增大至1.2Q， 母板殘余拉應(yīng)力峰值相對增大13%， 殘余拉應(yīng)力分布寬度相對增大24%， 殘余壓應(yīng)力絕對值相對增大20%； U肋殘余拉應(yīng)力峰值相對增大4%， 殘余拉應(yīng)力分布寬度相對增大18%， 殘余壓應(yīng)力峰值絕對值相對增大28%.

圖7和圖8分別為殘余拉、 壓應(yīng)力合力和合力分配比例隨有效功率增加變化曲線. 從圖7和圖8可以看出， 隨著焊接有效功率的增大， 母板殘余拉應(yīng)力的合力和殘余壓應(yīng)力的合力隨之明顯增大， U肋殘余拉應(yīng)力的合力和殘余壓應(yīng)力的合力增加較小. 從分配比例來看， 母板殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力的合力比例增大， 而U肋上的殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力的合力比例減小.

(a) 母板殘余應(yīng)力分布

(b) U肋殘余應(yīng)力分布

圖7 不同焊接有效功率下的殘余應(yīng)力合力變化

圖8 不同焊接有效功率下的殘余應(yīng)力合力分配比例變化

2.3 熔池面積大小對殘余應(yīng)力分布的影響

熔池面積的大小主要是由焊腳尺寸以及熔深決定的， 焊腳尺寸決定焊縫熔池的寬度， 熔深影響沿板厚方向熔池的大小. 熔池面積影響焊接熱輸入大小， 進而影響焊接溫度場、 焊接應(yīng)力場和最終的殘余應(yīng)力分布. 熔池面積(S)變化對殘余應(yīng)力分布影響如圖9所示.

(a) 母板殘余應(yīng)力分布

(b) U肋殘余應(yīng)力分布

圖9中1.0S為基準(zhǔn)焊縫熔池面積， 0.8S為基準(zhǔn)熔池面積的0.8倍， 1.2S為基準(zhǔn)熔池面積的1.2倍. 從圖9可以看出， 隨著熔池面積系數(shù)由0.8S增大至1.2S， 母板殘余拉應(yīng)力峰值相對增大3%， 殘余拉應(yīng)力分布寬度相對增大15%， 殘余壓應(yīng)力絕對值相對增大18%； U肋殘余拉應(yīng)力峰值相對增大2%， 殘余拉應(yīng)力分布寬度相對增大6%， 殘余壓應(yīng)力峰值絕對值相對增大19%.

不同熔池面積下的母板和U肋殘余應(yīng)力合力和合力分配比例如圖10、 11所示. 從圖10、 11中可以看出， 隨著混合鋼U肋加勁板熔池面積的增大， 母板殘余拉應(yīng)力的合力和殘余壓應(yīng)力的合力隨之明顯增大， U肋殘余拉應(yīng)力的合力和殘余壓應(yīng)力的合力略微減小. 從分配比例來看， 母板殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力的合力比例增大， 而U肋上的殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力的合力比例減小.

圖10 不同熔池面積下的殘余應(yīng)力合力

圖11 不同熔池面積下的殘余應(yīng)力合力分配比例變化

2.4 焊接速度對殘余應(yīng)力分布的影響

在單位時間內(nèi)， 不同的焊接速度將導(dǎo)致焊縫熱流量的不同， 從而造成溫度梯度不同， 最終影響焊接溫度場和應(yīng)力場的分布. 焊接熱源移動速度(v)變化對殘余應(yīng)力分布影響如圖12所示. 圖中1.0v為焊接熱源移動速度， 0.8v為當(dāng)前焊接熱源移速的0.8倍， 1.2v為當(dāng)前焊接熱源移速的1.2倍. 從圖12可以看出， 隨著熱源移動速度由0.8v增大至1.2v， 母板殘余拉應(yīng)力峰值相對減小6%， 殘余拉應(yīng)力分布寬度相對減小20%， 殘余壓應(yīng)力絕對值相對減小7%； U肋殘余拉應(yīng)力峰值相對減小4%， 殘余拉應(yīng)力分布寬度相對減小9%， 殘余壓應(yīng)力峰值絕對值相對減小13%.

(a) 母板殘余應(yīng)力分布

(b) U肋殘余應(yīng)力分布

不同焊接速度下的母板和U肋殘余應(yīng)力合力如圖13、 14所示， 從圖13、 14中可以看出， 隨著混合鋼U肋加勁板焊接速度的增大， 母板殘余拉應(yīng)力的合力和殘余壓應(yīng)力的合力隨之明顯減小， U肋殘余拉應(yīng)力的合力和殘余壓應(yīng)力的合力略微減小. 從分配比例來看， 母板殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力的合力比例減小， 而U肋上的殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力的合力比例增大.

圖13 不同焊接速度下的殘余應(yīng)力合力

圖14 不同焊接速度下的殘余應(yīng)力合力分配比例變化

3 結(jié)語

1) 在對混合鋼U肋加勁板焊接殘余應(yīng)力影響因素分析中， 焊接有效功率對U肋加勁板的殘余應(yīng)力分布的影響最大， 其次分別為熔池面積及焊接速度的影響， 散熱系數(shù)對混合鋼U肋加勁板的殘余應(yīng)力分布影響最小.

2) 隨著焊接有效功率值的增大， 母板和U肋的殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力的數(shù)值大小均有所增大， 殘余拉應(yīng)力分布寬度也相應(yīng)增大； 母板和U肋殘余拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的合力均隨之增大， 母板殘余拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的合力分配比例隨之增大， 而U肋殘余拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的合力分配比例隨之減小.

3) 隨著熔池面積的逐步增大， 母板和U肋的殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力的數(shù)值大小均有所增大， 殘余拉應(yīng)力分布寬度也相應(yīng)增大； 母板殘余拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的合力及相應(yīng)的分配比例均隨之增大， 而U肋殘余拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的合力及相應(yīng)的分配比例均隨之減小.

4) 隨著焊接移動速度的逐步增大， 母板和U肋的殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力的數(shù)值大小均有所減小， 殘余拉應(yīng)力分布寬度也相應(yīng)減??； 母板和U肋的殘余拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的合力隨之減小， 母板殘余拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的合力分配比例隨之減小， 而U肋殘余拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的合力分配比例隨之增大.

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(編輯： 蔣培玉)

Numerical analysis of welding residual stress of U-rib stiffened plate

ZHAO Qiu, GUO Zhiyong, YUAN Huihui, CHEN Meizhong

(College of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou， Fujian 350116， China)

A 3D thermo-elastoplastic FEM model was estabilished to simulate welding temperature field and stress field of hybrid U-rib stiffened plate. The vailidity of proposed numerical simulation method was verified by residual stress test using blind-hole method. By applying the vailated welding residual stress simulation, the effects of heat release coefficient, welding effective power, weld pool area, and welding speed, a total of 4 welding parameters, on welding residual stress distribution of hybrid steel U-rib stiffened plate were studied. The results showed that the welding effective power has the greatest influence on residual stress distribution of U-rib stiffened plate, followed by the weld pool area and welding speed, and heat release coefficient has little effect; the value of residual tensile stress and residual compressive stress of motherboard and U-rib, the distribution width of residual tensile stress, and the residual tensile stress and residual compressive stress resultants of motherboard were proportional to welding effective power and weld pool area, but inversely proportional to welding speed; however, the residual tensile stress and compressive stress resultants of U-rib were proportional to welding effective power, and inversely proportional to weld pool area and welding speed.

steel bridge; welding residual stress; thermo-elastoplastic； FEM simulation; hybrid U-rib stiffened plate

2014-05-22

趙秋(1976-)， 副教授， 工學(xué)博士， 主要從事橋梁工程研究, zhaoqiu@fzu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金項目(51478120; 51108087)

10.7631/issn.1000-2243.2015.06.0815

1000-2243(2015)06-0815-06

TU318； U442

A