尹成江+宋天民+管建軍

摘要：建立了高溫焊接工藝數(shù)值模擬模型，對在不同溫度下高溫焊接的溫度場和焊接殘余應力場進行了數(shù)值模擬。結果表明： 500℃，600℃和700℃溫度下高溫焊接焊縫中心點上縱向殘余應力相對于常溫焊接的降低幅度分別為：57.3%，73.1%和81.3%，橫向殘余應力的降低幅度分別為：17.6%，36.9%和63.8%；高溫焊接使得應力場的分布趨于均勻化，溫度越高，應力分布也越均勻。

關鍵詞：高溫焊接；數(shù)值模擬；殘余應力

中圖分類號：TG456

Abstract： This paper presents a numerical simulation model of high-temperature welding process. The temperature field and residual stress field of high-temperature welding at different temperature were investigated by numerical simulation. The numerical simulation result shows that： the longitudinal welding residual stress on high-temperature welding seam center point at 500℃， 600℃and 700 ℃ relative to normal welding decreases respectively： 57.3%， 73.1% and 81.3%， the transverse residual stress decreases respectively： 17.6%， 36.9% and 63.8%； the stress field distribution of high-temperature welding tends to be uniform， the temperature is higher， the stress distribution is more uniform.

Key words： high-temperature welding； numerical simulation；residual stress

0 前言

在焊接界關注的諸多問題中，降低或消除焊接殘余應力是一項重要的課題。國內外的研究者對此也做了大量的研究工作，并在此領域取得了令人矚目的成績。按照過程的性質分類，調整和消除焊接殘余應力的方法主要有以下三類：一類是溫差形變法，其原理是利用熱膨脹量引起的變形差來消除焊接殘余應力，主要包括逆焊接溫差處理與低溫拉伸兩種方法[1-2]；另一類是熱作用形變法，即通常采用的焊后熱處理方法[3]；第三類是力學形變法，經(jīng)常采用的爆炸處理、振動時效以及過載拉伸等力學方法就屬于力學形變法 [4]。高溫焊接是一種剛剛產(chǎn)生、并且正在探索的消除焊接殘余應力的新方法[5-7]。在該焊接工藝過程中將焊件加熱到相變溫度以下的某一指定溫度后再進行焊接，焊接過程中繼續(xù)加熱以保持母材金屬的溫度基本不變，在焊接結束后正常冷卻至常溫。高溫焊接試驗的結果表明：高溫焊接形成的焊接接頭的殘余應力低，疲勞壽命高，證實了高溫焊接的優(yōu)越性。但高溫焊接物理試驗的數(shù)據(jù)不全面，不能得到焊接過程中完整的焊接殘余應力的分布、焊接過程中的變形過程也不易準確測量，有必要建立高溫焊接的數(shù)值模擬模型，來對高溫焊接的優(yōu)缺點進行評估，并借助數(shù)值模擬手段對高溫焊接工藝進行進一步的優(yōu)化。

1 高溫焊接數(shù)值模擬模型

模擬試驗選用的材料是制造壓力容器常用的16MnR低合金鋼，焊接試板尺寸：240mm×200 mm×12mm。圖1為其有限元網(wǎng)格劃分模型，由于焊接試板幾何尺寸和熱力邊界條件具有對稱性，按1/2進行建模。為便于施加固支約束條件，防止發(fā)生整體剛性平移，在焊接試板的兩端增加了類似于引弧板和熄弧板的模型。焊縫區(qū)單元尺寸1mm，其它區(qū)域依次遞增，最大單元尺寸11mm。

1.1 溫度場計算的邊界條件

（1）假設焊接電弧為雙橢球熱源；

（2）僅考慮焊接試板外表面與周圍環(huán)境的對流換熱；

（3）焊縫中心面為絕熱邊界條件。

1.2 應力場的邊界條件

（1）焊縫中心面施加對稱邊界條件；

（2）為防止焊接試板發(fā)生整體剛性位移，約束引弧板外端面所有節(jié)點方向的位移。

1.3 模型

焊接參數(shù)：功率為800W，焊接速度為6.5 mm/s。

雙橢球熱源模型的表達式如下：

其中，值取1，2，分別表示為前、后半個橢球對應的參數(shù)； ，分別為橢球的三個半軸長度；Q為理論熱輸入量；分別為隨熱源中心移動坐標系下的坐標。

文中模擬了在500℃，600℃和700℃溫度下高溫焊接時的溫度場和應力場。

2 溫度場模擬結果

為了簡化焊接前的加熱過程，此模型假設整個焊接試板在焊前500s內完成加熱，即在前500s內對所有單元節(jié)點施加固定溫度載荷，溫度載荷由20 ℃線性增大到預定溫度。焊接開始后，刪除溫度載荷，此時試件上各點處于預定溫度。隨后焊接試件在環(huán)境溫度下冷卻。

圖2為不同溫度下高溫焊接試板焊縫中心線中點溫度時程曲線。普通焊接視為溫度為20 ℃的常溫焊接過程。焊縫中心線上點的溫度由于焊槍未到之時焊縫尚未填充，其溫度視為20 ℃。從圖2可以看到，高溫焊接時溫度越高，采用同樣的熱輸入焊接時，峰值溫度也越高，而且冷卻速度也越慢。常溫焊接的冷卻速度則要快得多。

3 應力場模擬結果

圖3、圖4分別為不同溫度下高溫焊接試板焊縫中心線中點縱向應力和橫向應力的時程曲線。從圖中可以看到，常溫焊接時焊縫區(qū)的縱向殘余應力接近450 MPa，橫向殘余應力接近80 MPa，而高溫焊接時殘余應力均有所降低，溫度越高，降低的幅度越大，700 ℃焊接時縱向殘余應力約為80 MPa，橫向應力約為30 MPa，幾乎可以忽略不計。各溫度下高溫焊接焊縫中心點上縱向殘余應力相對于常溫焊接的降低幅度分別為：57.3%，73.1%和81.3%，橫向殘余應力的降

圖5、圖6為不同溫度下高溫焊接試板焊縫中心橫截面縱向殘余應力和橫向殘余應力分布曲線。高溫焊接時殘余應力的分布更為平坦，溫度越高，應力分布越呈扁平化趨勢。

4 結論

（1）高溫焊接能有效地降低焊接殘余應力，縱向殘余應力的降低幅度高于橫向殘余應力的降低幅度。溫度越高，降低的幅度越大。

（2）高溫焊接使得應力場的分布趨于均勻化，溫度越高，應力分布也越均勻。

參考文獻

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[7] 張智超，張國福，楊軍.高溫焊接對2.25Cr1Mo鋼焊接殘余應力的影響[J].熱加工工藝，2010，39（21）：126-127.

收稿日期：2015-03-20

尹成江簡介： 1967年出生，碩士，副教授，博士研究生；

主要研究方向為石化設備時效分析；ycj1967@163.com 。