雷 陳，熊建坤，冷進(jìn)明

（東方汽輪機有限公司，四川德陽618200）

0 前言

由于焊接過程是一個局部的不均勻加熱、冷卻過程，受焊縫及近縫區(qū)溫度場的影響，轉(zhuǎn)子內(nèi)部會出現(xiàn)大小不等、分布不均勻的殘余應(yīng)力應(yīng)變場[1-2]。焊接殘余應(yīng)力不但可能引起熱裂紋、冷裂紋、脆性斷裂等工藝缺陷，而且在一定條件下會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的強度、剛度、受壓時的穩(wěn)定性、加工精度和尺寸穩(wěn)定性等[3-4]。焊接過程中施加的局部熱輸入是引起殘余應(yīng)力和焊接變形的根源。溫度場變化造成的熱應(yīng)變以及顯微組織變化引起的相變應(yīng)變決定了焊接殘余應(yīng)力的分布水平[5]。焊接殘余應(yīng)力是直接影響構(gòu)件結(jié)構(gòu)性能、安全可靠性的重要因素[6]。在進(jìn)行焊接生產(chǎn)和修復(fù)工程中，需要特別關(guān)注焊接殘余應(yīng)力的分布和水平，以降低其危害，保證設(shè)備的安全運行。

焊接轉(zhuǎn)子制造過程中由9道焊縫將10個鍛件焊接在一起，每一道焊縫的變形會產(chǎn)生疊加作用，從而對轉(zhuǎn)子整體尺寸造成較大影響。研究轉(zhuǎn)子變形情況，分析其變形規(guī)律及影響因素，對焊接轉(zhuǎn)子制造工藝和質(zhì)量控制具有十分重要的意義。本研究采用有限元方法建立焊接轉(zhuǎn)子焊接和熱處理過程的數(shù)值模型，分析其焊接過程中應(yīng)力應(yīng)變的分布與變化情況。通過與實驗數(shù)據(jù)對比，驗證有限元建模方法的正確性和可靠性，從而將有限元方法應(yīng)用于轉(zhuǎn)子產(chǎn)品焊接變形和殘余應(yīng)力的研究與分析中。

1 有限元模型建立

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

由于轉(zhuǎn)子是軸對稱結(jié)構(gòu)，在建模時采用熱-彈塑性軸對稱單元，近縫區(qū)網(wǎng)格尺寸為1 mm×1 mm，共18 267個單元。采用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬計算，建模過程中采用生死單元技術(shù)模擬焊縫金屬的填充過程，隨著焊縫金屬的填充，代表焊道的單元逐漸被激活。焊縫區(qū)共劃分83道焊縫，其中1～9道為TIG焊道，其余為SAW焊道。

本研究采用二維模型進(jìn)行計算，網(wǎng)格單元密度的選擇對于模型的計算效率有重要影響。若模型整體采用小單元高密度的劃分，模擬計算的計算量過大，結(jié)果收斂性低，對計算機硬件要求高；若整體采用低密度的劃分，關(guān)鍵部位的計算精度不夠，模擬結(jié)果準(zhǔn)確性低。結(jié)合焊接物理過程中模型焊縫處受到的熱流密度較大，需重點關(guān)注，故采用1mm×1mm的網(wǎng)格劃分；因為模型邊界部位的熱流密度較均勻，無需過于細(xì)致計算，故采用20 mm×20 mm的網(wǎng)格劃分；焊縫周邊熱影響區(qū)采用過渡單元。模型的幾何尺寸分布如圖1所示，模型的網(wǎng)格示意和焊道網(wǎng)格示意分別如圖2和圖3所示。

圖1 模型幾何尺寸分布

1.2 材料模型

轉(zhuǎn)子試驗件材料采用25Cr2Ni4MoV，在建模中采用非線性材料模型，根據(jù)試驗結(jié)果確定材料在不同溫度下的熱、力學(xué)材料性能[7]，如表1所示。

1.3 散熱邊界條件

根據(jù)轉(zhuǎn)子模擬件實際的焊接過程，采用體熱源模型，即對每個焊道的單元施加體熱源以模擬焊接過程，熱源參數(shù)由焊接參數(shù)確定。由于模擬件表面由保溫棉覆蓋，根據(jù)試算確定表面散熱的換熱系數(shù)如下[8]

圖2 模型網(wǎng)格示意

圖3 焊道網(wǎng)格示意

表1 材料在不同溫度下的熱、力學(xué)材料性能

在焊接過程中，環(huán)境溫度為20℃，初始溫度為320℃，層間溫度控制在300℃±20℃。

2 有限元計算結(jié)果

改變單元類型和增加回火蠕變參數(shù)后，得出模型殘余應(yīng)力分布云圖。通過應(yīng)力場云圖分析殘余應(yīng)力的分布特點，得到模型不同區(qū)域的殘余應(yīng)力數(shù)值，從而獲得整個模型殘余應(yīng)力數(shù)值分布區(qū)間。

2.1 焊后殘余應(yīng)力計算結(jié)果

焊后殘余應(yīng)力分布云圖如圖4～圖6所示。對比圖4～圖6可以看出，焊縫區(qū)各向殘余應(yīng)力峰值大，分布不均勻；熱影響區(qū)各向殘余應(yīng)力峰值小于焊縫區(qū)，分布較均勻；母材區(qū)各向殘余應(yīng)力峰值變化不大，分布均勻。

2.2 熱處理后殘余應(yīng)力計算結(jié)果

在模型焊接過程后進(jìn)行回火熱處理模擬，得出回火熱處理后應(yīng)力分布云圖?；鼗馃崽幚砗髿堄鄳?yīng)力分布云圖如圖7～圖9所示?？梢钥闯觯鼗馃崽幚砗?，轉(zhuǎn)子徑向、軸向、周向殘余應(yīng)力峰值大幅降低，殘余應(yīng)力分布的梯度變得較小。

圖4 徑向應(yīng)力場云圖

圖5 軸向應(yīng)力場云圖

圖6 周向應(yīng)力場云圖

圖7 徑向應(yīng)力場云圖

圖8 軸向應(yīng)力場云圖

圖9 周向應(yīng)力場云圖

3 計算結(jié)果討論分析

3.1 焊后計算結(jié)果分析

模型焊后內(nèi)外壁應(yīng)力分布如圖10和圖11所示?？梢钥闯觯襵為典型的“拉—壓—拉”型分布，焊縫及近縫區(qū)的縱向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，內(nèi)壁應(yīng)力峰值為340 MPa，外壁應(yīng)力峰值為840 MPa。遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的縱向殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，數(shù)值在200 MPa以內(nèi)。σy是平板內(nèi)彎曲變形產(chǎn)生的，焊縫及近縫區(qū)為拉應(yīng)力，內(nèi)壁應(yīng)力峰值為500 MPa，外壁應(yīng)力峰值為700 MPa。

圖10 焊后內(nèi)壁殘余應(yīng)力分布

圖11 焊后外壁殘余應(yīng)力分布

3.2 熱處理后計算結(jié)果分析

模型回火熱處理后內(nèi)外壁應(yīng)力分布如圖12和圖13所示?？梢钥闯?，經(jīng)過回火熱處理，模型應(yīng)力分布趨勢變化不大，但應(yīng)力數(shù)值顯著降低，應(yīng)力梯度改善很大。σx峰值由840 MPa降到200 MPa以內(nèi)，釋放了70%的應(yīng)力；σy峰值由700 MPa降至200 MPa以內(nèi)，降低約70%。模型內(nèi)外壁縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力大小非常接近，回火熱處理工藝使得模型的應(yīng)力分布更加均勻。這表明回火熱處理工藝能夠明顯改善焊接件殘余應(yīng)力問題。

3.3 模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比

由于殘余應(yīng)力測試前對轉(zhuǎn)子模擬件外壁焊縫區(qū)域進(jìn)行了打磨，使得其應(yīng)力得到釋放，所以模擬結(jié)果與實測結(jié)果可能有較大偏差，而內(nèi)壁的打磨影響較小，所以采用內(nèi)壁橫截面上的縱向和橫向應(yīng)力分布來驗證模擬結(jié)果的正確性。

焊后內(nèi)壁σx的對比結(jié)果如圖14所示。由圖14可知，在焊縫部位縱向應(yīng)力峰值的誤差在50 MPa以內(nèi)。實測數(shù)據(jù)在距離焊縫中心20 mm后才轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，而模擬結(jié)果在距離焊縫中心10 mm處就轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果存在一定偏差，但實測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的曲線都顯示出“拉—壓—拉”的應(yīng)力分布趨勢。

圖12 熱處理后內(nèi)壁殘余應(yīng)力分布

圖13 熱處理后外壁殘余應(yīng)力分布

圖14 焊后內(nèi)壁σx對比

焊后內(nèi)壁σy的對比結(jié)果如圖15所示。可以看出，該處實測數(shù)據(jù)大于模擬數(shù)據(jù)，可能是實際生產(chǎn)中存在橫向的約束，而數(shù)值模擬在現(xiàn)有條件下還無法設(shè)定合理、有效的橫向約束而導(dǎo)致。實測和模擬的應(yīng)力分布曲線分布趨勢擬合較好。

圖15 焊后內(nèi)壁σy對比

熱處理后內(nèi)壁σx對比情況如圖16所示，應(yīng)力得到很大程度的釋放，模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)的峰值都保持在200 MPa以內(nèi)。其中，模擬數(shù)據(jù)還維持著明顯的“拉—壓—拉”型應(yīng)力分布，而實測數(shù)據(jù)焊縫中心的應(yīng)力已近全部釋放，熱影響區(qū)的應(yīng)力峰值較明顯。這可能是由于數(shù)值模擬和實際生產(chǎn)中邊界條件不同而導(dǎo)致的。

圖16 熱處理后內(nèi)壁σx對比

熱處理后內(nèi)壁的σy對比情況如圖17所示?？梢钥闯?，回火熱處理后橫向應(yīng)力分布趨勢無太大變化，但應(yīng)力得到了很大釋放，實驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)都維持在100 MPa以內(nèi)。模擬數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)從分布趨勢和峰值位置來看擬合較好。

4 結(jié)論

圖17 熱處理后內(nèi)壁σy對比

（1）數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果在具體數(shù)值上存在一定偏差，但對應(yīng)力分布趨勢的反映一致，計算模型可反映出實際結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布情況。

（2）從改善應(yīng)力的角度來看，焊后熱處理工藝是合理有效的，熱處理后的焊接接頭應(yīng)力得到有效緩解。