許鑫，黎明

(蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

焊接技術(shù)以其高效性、靈活性成為鋼結(jié)構(gòu)中最常用的連接方法，但焊接是局部集中加熱的工藝技術(shù)，會(huì)使焊縫及周邊區(qū)域溫度分布不均，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力與殘余變形[1]。殘余應(yīng)力不僅會(huì)引起構(gòu)件變形導(dǎo)致尺寸誤差，還會(huì)對疲勞強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、使用壽命等多方面產(chǎn)生不利影響，因此，如何在鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程中有效預(yù)測與控制殘余應(yīng)力大小和分布對提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和疲勞壽命有重要意義。

鋼板坡口對接焊是鋼構(gòu)件連接的主要焊接形式之一，焊接中的溫度場和應(yīng)力場分布一直是國內(nèi)外焊接研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)問題[2-4]。近年來，運(yùn)用有限元方法模擬并分析焊接熱傳導(dǎo)、焊接熱-彈-塑性應(yīng)力和變形等領(lǐng)域的技術(shù)不斷成熟[5]。蔡建鵬等[6]研究了不同坡口形式對異種鋼對接接頭殘余應(yīng)力和變形的影響，發(fā)現(xiàn)異種鋼交界處應(yīng)力不連續(xù)、V形坡口角變形更大。史建蘭等[7]分析了坡口形式對半管夾套焊接溫度和殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)開坡口焊接易焊透、焊縫成型質(zhì)量好及焊縫根部殘余應(yīng)力相對較小。孫加民等[8]模擬并實(shí)測了電渣焊接頭典型位置的熱循環(huán)曲線，驗(yàn)證了電渣焊溫度場計(jì)算方法的有效性，也為進(jìn)一步研究和預(yù)測焊接頭殘余應(yīng)力及變形奠定了基礎(chǔ)。在現(xiàn)場工程應(yīng)用中，手工電弧焊應(yīng)用更為廣泛，對如何減少諸如板厚、焊接速度、焊接熱輸入等焊接參數(shù)引起的焊接殘余應(yīng)力的需求更為迫切，而目前此類研究尚少。

本研究基于ABAQUS有限元分析軟件，以Fortran開發(fā)模擬熱源子程序，對鋼板坡口對接焊進(jìn)行熱-彈-塑性數(shù)值模擬分析，并運(yùn)用該計(jì)算方法對Q345鋼平板對接接頭的溫度場及應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬，對比分析了焊接參數(shù)對焊接溫度場與殘余應(yīng)力的影響。

1 有限元模型的建立與驗(yàn)證

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

本文所分析的數(shù)值模型幾何尺寸為長600 mm，寬150 mm，厚度分別為12、16、20 mm 3種。

焊接鋼板，坡口形式，焊道布置及路徑L1、L2線，蓋面焊中點(diǎn)A見圖1，坡口形式為60°的V形坡口。由于對接焊接頭附近應(yīng)力較為集中，為確保模擬精度及降低分析時(shí)間，在焊縫區(qū)附近采用較密網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)采用稀疏網(wǎng)格。鋼板及對接焊縫采用coupled temp-displacement C3D8T六面體單元模擬。試件的幾何模型及網(wǎng)格劃分見圖2。

圖1 焊接鋼板、坡口形式及焊道布置(mm)

圖2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

1.2 材料熱物理及力學(xué)性能參數(shù)

本文焊縫和母材均采用相同材料Q345鋼進(jìn)行模擬研究。在焊接過程中，焊縫及母材的熱物理及力學(xué)性能參數(shù)會(huì)由于焊接熱源的作用而發(fā)生變化，在熱彈塑性分析中考慮材料熱物理和力學(xué)性能與溫度相關(guān)。鋼材的物理性能和力學(xué)性能見表1。

表1 Q345鋼板材料性能

表1(續(xù))

1.3 移動(dòng)熱源模擬

由于雙橢球熱源模型[9](double ellipsoidal heat source model，DEHSM)克服了平面高斯熱源模型無法考慮熔深的缺陷，本文采用DEHSM模擬移動(dòng)熱源模型。采用Fortran語言編寫熱源子程序DFLUX來模擬雙橢球熱源，在ABAQUS提交任務(wù)時(shí)調(diào)用該子程序模擬計(jì)算。對于對接焊縫，隨著時(shí)間的增加，熱源中心沿對接焊縫表面作直線移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熱源的移動(dòng)。熱輸入的前、后半部分雙橢球熱源分布見公式(1)、(2)，其具體分布見圖3。

(1)

(2)

式中：ff，fr為前、后橢球能量份額參數(shù)，ff+fr=2,Q=ηUI；η為焊接有效熱功率系數(shù)，取0.85，U為焊接電壓；I為焊接電流；af和ar分別為前半橢球和后半橢球的長度參數(shù)；b為橢球?qū)挾葏?shù)；c為橢球深度參數(shù)；v為焊接速度；t為時(shí)間。本文針對雙橢球熱源參數(shù)做簡化處理，假定ff=fr=1，af=ar。

圖3 雙橢球熱源分布

1.4 焊接工藝參數(shù)及熱輸入

本文共設(shè)計(jì)了9個(gè)分析算例：板厚分別為12、16、20 mm；焊接速度分別為5、10、15 mm/s；焊道數(shù)為2、3、4道。焊接工藝參數(shù)見表2，對比研究計(jì)算方案見表3。

表2 焊接工藝參數(shù)

表3 計(jì)算方案

相同坡口以不同焊道數(shù)焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量不同，焊接熱輸入可同時(shí)兼顧焊接電壓、電流及焊接速度3種因素，焊接熱輸入公式見式(3)。

q=ηIU/v

(3)

1.5 邊界條件和初始條件

焊接結(jié)構(gòu)表面與外界存在溫度差異，表面與周圍介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生熱傳遞，主要通過對流換熱和熱輻射的形式進(jìn)行。在焊接溫度場分析中，母材內(nèi)外表面均考慮對流和輻射邊界條件，對流換熱系數(shù)取10 W/(m2·K)，輻射發(fā)射率取為0.85，模型初始溫度和室溫取20 ℃。

在應(yīng)力分析中，為限制模型的剛體位移，使遠(yuǎn)離對接焊縫鋼板的兩側(cè)面x=0，y=0，z=0。

1.6 有限元模型驗(yàn)證

圖4給出了基于熱彈塑性有限元模型的鋼板在焊接作用下焊縫背面C點(diǎn)沿x方向隨時(shí)間變化的應(yīng)變值同試驗(yàn)結(jié)果的對比，圖中的試驗(yàn)曲線為文獻(xiàn)[10]中鋼板焊縫背面的試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 C點(diǎn)x方向應(yīng)變隨時(shí)間的變化

由圖4可知，模擬曲線峰值和谷值較試驗(yàn)曲線略小些，模擬曲線起始存在應(yīng)變壓縮和拉伸階段。無論是從整體趨勢還是峰值應(yīng)變上進(jìn)行對比，模擬結(jié)果與試驗(yàn)曲線吻合較好，可采用熱-彈-塑性有限元模型進(jìn)行鋼板焊接性能的研究。

圖5 1 836 s時(shí)的溫度場

2 溫度場分析

圖5是1 836 s時(shí)焊接溫度場分布云圖，圖中等溫線呈帶狀分布，焊接熱源前端等溫線密集，溫度梯度大，熱源后端等溫線稀疏，溫度梯度小。圖6是1 836 s時(shí)沿路徑L1的溫度分布曲線，其最高溫度達(dá)1 000 ℃，溫度場分布左右對稱，近縫區(qū)溫度較高，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)溫度迅速下降至室溫。

圖6 1 836 s時(shí)溫度沿路徑L1的分布

圖7比較了9個(gè)算例蓋面焊上測點(diǎn)A的熱循環(huán)曲線。

(a)Case1、Case2、Case3熱循環(huán)曲.線

(b)Case4、Case5、Case6熱循環(huán)曲線

由圖7(a)可知，3個(gè)算例熱循環(huán)曲線吻合良好，說明在同等熱輸入下板厚對焊接溫度場影響很小。由圖7(b)可知Case4、Case6峰值溫度分別為1 420、710 ℃，后者較前者焊接速度增加2倍，而峰值溫度降低了50%；焊接過程中鋼板從室溫上升至峰值溫度很短，3個(gè)算例依次用時(shí)4.5、2.5、1.5 s；而冷卻降溫過程相對緩慢，Case4、Case6蓋面焊A點(diǎn)分別用時(shí)900、850 s冷卻至室溫，可見隨著焊接速度加快，其溫度上升速度和冷卻速度也相對加快，但溫度峰值卻隨焊速的增加而降低，由此可知，溫度場峰值與焊接速度成反比。圖7(c)對應(yīng)的是3種焊道形式(2道焊、3道焊、4道焊)，一定容積焊槽在等量熱輸入下，隨焊道數(shù)的增加，焊道平均熱輸入在降低，蓋面焊峰值溫度也在降低，可見溫度場峰值與焊接熱輸入成正比關(guān)系。

(c)Case7、Case8、Case9熱循環(huán)曲線圖7 A點(diǎn)熱循環(huán)曲線

3 焊接殘余應(yīng)力分析

3.1 路徑L1上殘余應(yīng)力

圖8比較了沿路徑L1上3組共9個(gè)算例縱向殘余應(yīng)力分布情況。由圖8可知，3組試件L1線上縱向殘余應(yīng)力分布狀況和整體趨勢吻合良好，可見板厚、焊速及焊道數(shù)對L1線上縱向殘余應(yīng)力影響很小。但由于熱源溫度高度集中，在焊縫區(qū)域縱向殘余應(yīng)力較大，殘余應(yīng)力峰值達(dá)360 MPa，超過了鋼板常溫下的屈服應(yīng)力(345 MPa)，這是由于加工硬化作用的效果，從應(yīng)力分布趨勢發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力整體呈“幾”字型分布。

(a)Case1、Case2、Case3縱向殘余應(yīng)力

(b)case5、case4、case6縱向殘余應(yīng)力

(c)Case7、Case8、Case9縱向殘余應(yīng)力圖8 L1線縱向殘余應(yīng)力分布

對比圖8(b)曲線發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)域應(yīng)力影響范圍隨焊接速度的加快而變窄，近縫區(qū)的縱向殘余壓應(yīng)力也相對減小，這是由于隨著焊接速度加快，移動(dòng)熱源作用于母材時(shí)間短，使得垂直于焊縫方向的焊接區(qū)域到達(dá)峰值溫度的區(qū)域較窄。由圖8(c)曲線對比可知，縱向殘余拉應(yīng)力峰值隨焊道數(shù)的增加而降低了8、32 MPa，由于同等焊槽分多條焊道施焊，Case9蓋面焊熱輸入為(0.288 J/mm)，小于Case7蓋面焊熱輸入(0.528 J/mm)，單道焊接熱輸入變小，引起應(yīng)力疊加變小。

圖9比較了沿路徑L1上3組試件橫向殘余應(yīng)力分布情況。由圖中發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)域橫向殘余應(yīng)力變化劇烈，呈M型分布，焊縫中心應(yīng)力較小，接近于0 MPa，母材區(qū)域沿焊縫重心往外應(yīng)力逐漸降低。

由圖9(a)可知，在同等焊槽和焊道下，隨著板厚的增加，L1線上橫向殘余應(yīng)力逐漸降低，Case1峰值應(yīng)力250 MPa降到Case3的168 MPa，降幅高達(dá)33%，可見隨著板厚的增加，焊道散熱面積增大，溫度消散更快，焊道內(nèi)部殘余應(yīng)力減少。由圖9(b)可知，母材處Case5算例較Case4應(yīng)力減小90 MPa，Case6算例較Case4應(yīng)力減小46 MPa，隨著焊接速度的增加，橫向殘余應(yīng)力不斷在減小，但應(yīng)力縮減幅度在變小；焊接速度達(dá)到15 mm/s時(shí)應(yīng)力趨于平穩(wěn)，且平均值25 MPa已然很小，此焊速可作為16 mm板厚合適焊接速度。且由圖9(c)可以看出，Case9試件除焊縫區(qū)域外母材應(yīng)力趨于平穩(wěn)，波動(dòng)較小，這是由于同焊槽同熱量下，隨焊道數(shù)的增加，每一焊道平均焊接熱輸入減小，而散熱面積基本不變，內(nèi)外溫差變小，進(jìn)而近縫區(qū)殘余應(yīng)力降低，可見增加焊道數(shù)能較好的減小橫向殘余應(yīng)力。

3.2 路徑L2上殘余應(yīng)力

(a)Case1、Case2、Case3橫向殘余應(yīng)力

(b)Case4、Case5、Case6橫向殘余應(yīng)力

(c)Case7、Case8、Case9橫向殘余應(yīng)力圖9 L1線橫向殘余應(yīng)力分布

圖10對比了沿路徑L2上3組試件縱向殘余應(yīng)力分布情況。由圖可知，焊縫區(qū)域縱向殘余壓應(yīng)力相對較小，而沿路徑1/5和4/5處壓應(yīng)力較大，整體呈W型分布；從應(yīng)力分布趨勢可知，隨著板厚或焊接速度或焊道數(shù)的增加，L2線上縱向殘余應(yīng)力整體上在不斷降低，且W型應(yīng)力分布逐步轉(zhuǎn)為U型應(yīng)力分布。隨板厚每增加4 mm，L2線上縱向殘余應(yīng)力平均降低20 MPa；隨焊接速度每增加5 mm/s，應(yīng)力降幅從1/3降為1/4，可見焊速的增加對應(yīng)力的降低有范圍性；每增加一條焊道，應(yīng)力平均降幅分別為40、10 MPa，且路徑L2中部應(yīng)力逐漸較為平穩(wěn)，溫度梯度較小，說明增加焊道有利于減少應(yīng)力集中。

(a)Case1、Case2、Case3縱向殘余應(yīng)力

(b)Case4、Case5、Case6縱向殘余應(yīng)力

(c)Case7、Case8、Case9縱向殘余應(yīng)力圖10 L2線縱向殘余應(yīng)力分布

圖11對比了沿路徑L2線上3組試件的橫向殘余應(yīng)力分布情況。圖中發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)域橫向殘余拉應(yīng)力最大，而起焊和收焊位置應(yīng)力最小，整體上接近0 MPa；從應(yīng)力分布趨勢發(fā)現(xiàn)，隨著板厚或焊接速度或焊道數(shù)的增加，L2線上橫向殘余應(yīng)力整體上在不斷降低，路徑中部應(yīng)力逐漸較為平穩(wěn)，且整體應(yīng)力分布呈倒U型。厚板每增加4 mm，路徑中部應(yīng)力降低25 MPa；焊接速度每增加5 mm/s，中部應(yīng)力降幅50%；焊道數(shù)增加至4條，路徑上應(yīng)力已然較為平穩(wěn)，且中部應(yīng)力均在平均值18 MPa附近，可見20 mm坡口焊選用4條焊道較好。

(a)Case1、Case2、Case3橫向殘余應(yīng)力

(b)Case4、Case5、Case6橫向殘余應(yīng)力

(c)Case7、Case8、Case9橫向殘余應(yīng)力圖11 L2線橫向殘余應(yīng)力分布

4 結(jié)論

1)溫度場峰值與板厚因素?zé)o關(guān)，與焊接速度成反比關(guān)系，與焊接熱輸入成正比關(guān)系。

2)對比路徑L1、L2上殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著板厚、焊接速度和焊道數(shù)的增加，無論是殘余拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力均呈降低趨勢。

3)L1、L2線上縱橫向殘余應(yīng)力呈一定形狀的應(yīng)力分布，有規(guī)律可循。L1線上縱向殘余應(yīng)力呈“幾”字分布，橫向殘余應(yīng)力呈M型分布；L2線上縱向殘余應(yīng)力呈W型或U型分布，橫向殘余應(yīng)力呈倒U型分布。

4)工程應(yīng)用中，可適當(dāng)提高焊接速度、增加焊道數(shù)：對于16 mm板厚，5 mm/s焊接速度為宜；對于20 mm板厚，4條焊道為宜。