劉博

(1.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2.中國(guó)石化天然氣分公司，北京 100029)

0 前言

汽輪機(jī)汽缸等部件形狀復(fù)雜，一般采用鑄鋼材料，鑄鋼件在高溫下運(yùn)行時(shí)承受內(nèi)應(yīng)力、靜應(yīng)力及鑄件內(nèi)外壁溫差引起的熱應(yīng)力，因此，在保證鑄件具有良好的鑄造性、焊接性、足夠的強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，還要求鑄鋼件有足夠的持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、良好的抗熱疲勞性能和抗氧化性[1]。汽輪機(jī)缸體主要材料有 ZG20CrMo，ZG20CrMoV，ZG20Cr1MoV，ZG15Cr1Mo1V 等珠光體耐熱鋼[2-3]。金屬材料在復(fù)變應(yīng)力的反復(fù)作用下，會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷，即在應(yīng)力不超過(guò)材料屈服極限的情況下，經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的循環(huán)，金屬材料也將產(chǎn)生微觀裂紋，如應(yīng)力足夠大，則裂紋將擴(kuò)展成宏觀裂紋，甚至斷裂[4-5]。這就需要對(duì)大厚度的鑄鋼汽缸進(jìn)行焊接修復(fù)，為確保焊補(bǔ)工藝合理，達(dá)到焊時(shí)及焊后不裂，運(yùn)行后不裂的要求，應(yīng)對(duì)補(bǔ)焊工藝嚴(yán)格要求，焊前要充分預(yù)熱，且在補(bǔ)焊過(guò)程中要實(shí)時(shí)對(duì)待修復(fù)部件進(jìn)行變形監(jiān)控[6-7]。因此對(duì)大厚度鑄鋼件補(bǔ)焊工藝確定前的焊道熱循環(huán)、殘余應(yīng)力分布及其影響因素的仿真研究顯得至關(guān)重要。

多層多道焊和簡(jiǎn)單的單層單道焊有很大區(qū)別，在多層多道焊過(guò)程中不僅涉及電弧加熱、熔池熔化、焊縫非勻態(tài)冷卻等過(guò)程，還涉及前道焊縫對(duì)后道焊縫的預(yù)熱作用和后道焊縫對(duì)前道焊縫的熱處理作用，焊接修復(fù)時(shí)要對(duì)早期裂紋進(jìn)行挖補(bǔ)焊，焊接過(guò)程有別于普通的對(duì)接焊和堆焊，挖補(bǔ)焊時(shí)焊接拘束比較大更易產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，影響焊接修復(fù)質(zhì)量[8-9]。因此，研究挖補(bǔ)焊過(guò)程特別是殘余應(yīng)力分布的影響因素具有重要的意義。而目前針對(duì)大厚度鑄鋼件進(jìn)行多層多道補(bǔ)焊殘余應(yīng)力模擬的研究較少，基于生死單元技術(shù)，采用 ABAQUS有限元分析軟件對(duì)ZG15Cr1Mo1V鑄鋼件多層多道補(bǔ)焊殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了仿真模擬，研究了補(bǔ)焊區(qū)域殘余應(yīng)力的分布規(guī)律及不同參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響。

1 多層多道補(bǔ)焊模型的建立

為了完成汽缸的挖補(bǔ)焊接修復(fù)，首先要對(duì)挖補(bǔ)修復(fù)多層多道焊過(guò)程及其影響因素進(jìn)行研究，文中建立了大厚板的挖補(bǔ)焊接修復(fù)模型，旨在研究焊接修復(fù)過(guò)程中的應(yīng)力分布情況，并對(duì)修復(fù)過(guò)程中的工藝進(jìn)行比較研究，為實(shí)體焊接修復(fù)過(guò)程提供技術(shù)依據(jù)。

1.1 分段熱源模型

在多層多道焊過(guò)程中，如果焊道比較多，采用普通的移動(dòng)熱源模型又要求焊縫區(qū)域要有很細(xì)的網(wǎng)格劃分，這必然導(dǎo)致計(jì)算效率的降低，為了提高計(jì)算效率，該模型將采用分段熱源模型如圖1所示，在保證精度的前提下提高計(jì)算效率。

圖1 分段熱源模型

根據(jù)蔡志鵬分段熱源理論，若將長(zhǎng)度為d的焊縫分為n段，則每一段單位時(shí)間內(nèi)輸入熱量：

(1)

式中：qM為高斯熱源模型中加熱斑點(diǎn)中心最大熱流密度；K為能量集中系數(shù)；熱源加熱時(shí)間t為：

(2)

式中：K為能量集中系數(shù)；v為焊接速度[10]。

熱源分段化處理后，在每一段內(nèi)是按作用一定時(shí)間的帶狀熱源處理，一段帶狀熱源沿焊接方向依次施加到工件上，因此就可以用較少的時(shí)間增量步描述焊接時(shí)的熱源移動(dòng)與熱流作用過(guò)程，從而大大減少計(jì)算時(shí)間。

1.2 模型尺寸、網(wǎng)格劃分及材料焊接工藝

該模型尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，缺陷大?。?00 mm×50 mm×20 mm，網(wǎng)格劃分時(shí)，在焊縫由于溫度梯度比較大，所以焊縫處處細(xì)化網(wǎng)格，遠(yuǎn)離焊縫處溫度梯度較小，可以網(wǎng)格粗化，坡口形式及網(wǎng)格劃分如圖2所示，焊道每層厚為2.5 mm，分8層24道焊，預(yù)熱200 ℃。材料選用的是ZG15Cr1Mo1V鑄鋼，焊接工藝采用TIG焊接方法，焊絲采用R31焊絲，直徑2.5 mm。

圖2 多層多道挖補(bǔ)焊坡口形式及網(wǎng)格劃分

1.3 熱源的施加和邊界換熱條件

在該模型中，考慮到焊道比較多，使用移動(dòng)熱源模型時(shí)需要時(shí)間比較長(zhǎng)，因此為了提高計(jì)算效率，選用上文提到的分段熱源模型。在焊接過(guò)程中的熱輸入為10 kJ/(cm·s)。在多層多道焊過(guò)程中涉及到前道焊縫與后道焊縫之間的相互影響作用，所以在實(shí)際焊接過(guò)程中要控制層間溫度，為了模擬實(shí)際情況，在建模過(guò)程中，每道焊之后要有一個(gè)冷卻過(guò)程，使層間溫度控制在與預(yù)熱溫度相差不大的范圍之內(nèi)。該模型中每?jī)傻篮钢g的冷卻時(shí)間為70 s。

在模型中設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃。該模型中熱源效率選為0.7，熱源有效作用半徑取為7.1 mm。在模型中考慮熱損失，熱損失分為對(duì)流和熱輻射熱損失，在熱分析過(guò)程中假設(shè)模型所有的表面都通過(guò)與周圍氣體對(duì)流來(lái)?yè)p失熱量，熱量損失計(jì)算如式(3)：

qc=-hc(Ts-T0)

(3)

式中：hc為熱傳導(dǎo)系數(shù)；Ts為焊件的溫度；T0為環(huán)境溫度，取20 ℃；在該模型中熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)為15×10-6W/(mm2·℃)。模型的熱輻射損失由公式(4)給出：

qr=-εσ[(Ts+273)4-(T0+273)4]

(4)

式中：ε為熱輻射系數(shù)，模型中取輻射系數(shù)為0.8；σ為玻爾茲曼常數(shù)[11]。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 焊接過(guò)程熱循環(huán)曲線

為了研究多層多道焊過(guò)程中的加熱過(guò)程，選取坡口底部左右各一點(diǎn)，并提取焊接過(guò)程中的熱循環(huán)曲線如圖3所示。從圖中可以看出，圖中的每一個(gè)峰就是一道焊接過(guò)程，在焊接第一道焊縫時(shí)距離破口底部的距離最近，因此溫度也就最高，最高溫度達(dá)到材料的熔點(diǎn)。隨著后續(xù)焊縫距離取樣點(diǎn)的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，溫度也就也來(lái)越低。在每一道焊接之后，有一個(gè)冷卻過(guò)程，可以從圖中直觀的變現(xiàn)出來(lái)。

圖3 坡口底部左右側(cè)各一點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

比較坡口底部左右兩點(diǎn)的熱循環(huán)曲線可以看出，在左側(cè)點(diǎn)，第二道焊縫的最高溫度高于第三道焊縫的最高溫度，而在右側(cè)點(diǎn)，第二道焊縫的最高溫度低于第三道焊縫的最高溫度，這是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，第二道焊縫和第三道焊縫都為第二層，且在焊接時(shí)先焊的左道焊縫，接著才是右道焊縫。在焊接左道焊縫時(shí)，左側(cè)點(diǎn)的溫度高于右側(cè)點(diǎn)，其他層情況也一樣。從熱循環(huán)曲線可以很好的反映焊接過(guò)程。

2.2 焊接殘余應(yīng)力分布

所有焊道焊接完成之后，試件冷卻到室溫之后的應(yīng)力為焊接殘余應(yīng)力。該模型中焊接橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力的三維分布情況如圖4所示。

圖4 縱向殘余應(yīng)力分布

從三維殘余應(yīng)力分布云圖可以直觀的了解焊接殘余應(yīng)力的分布情況，在焊縫區(qū)域無(wú)論是縱向應(yīng)力還是橫向應(yīng)力都表現(xiàn)為拉應(yīng)力，這是由于在焊縫冷卻過(guò)程中，金屬的收縮受到焊縫外金屬的限制引起的。橫向應(yīng)力在沿焊縫方向?yàn)槊黠@的拉壓趨勢(shì)，兩端為壓應(yīng)力，中間為拉應(yīng)力，這是由于焊縫及其附近塑性區(qū)的縱向收縮引起?？v向殘余應(yīng)力在垂直焊縫方向?yàn)閴?拉-壓的分布。

為了進(jìn)一步分析殘余應(yīng)力在焊縫橫截面上的分布情況，選取焊縫中心垂直焊縫的截面上的2條路徑如圖5所示，提取路徑上的應(yīng)力分布如圖6和圖7所示。

圖5 選取路徑

圖7 路徑2上應(yīng)力分布

從路徑1圖中可以看到，垂直焊縫方向上，縱向殘余應(yīng)力基本關(guān)于焊縫中心對(duì)稱，在焊縫附近區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力，拉應(yīng)力的最大值為400 MPa左右，接近材料的屈服強(qiáng)度，在遠(yuǎn)離焊縫處為壓應(yīng)力。與實(shí)際焊接過(guò)程相符合?？v向殘余應(yīng)力曲線中的每一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)一道焊縫，最后一道焊道上的殘余應(yīng)力最大，這是因?yàn)橄群傅暮傅罆?huì)受到后焊焊道的影響，相當(dāng)于做了熱處理，而最后一道焊道則沒(méi)有這種作用。垂直焊縫方向上，橫向殘余應(yīng)力全為拉應(yīng)力。

比較路徑1和路徑2上的應(yīng)力分布可以看到，殘余應(yīng)力的大小相差不大，但縱向應(yīng)力拉應(yīng)力區(qū)的寬度則不同，坡口上部的拉應(yīng)力區(qū)寬度明顯大于坡口下部。因此只需對(duì)坡口上部進(jìn)行分析，若上部滿足殘余應(yīng)力要求，則下部也滿足要求。

2.3 不同參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響

考慮到進(jìn)行不同參數(shù)對(duì)補(bǔ)焊殘余應(yīng)力的影響分析需要計(jì)算多個(gè)模型，為了提高計(jì)算效率，使用二維模型進(jìn)行分析，即取焊縫橫截面進(jìn)行建模。

2.3.1不同預(yù)熱溫度的影響

在焊接修復(fù)過(guò)程中，因?yàn)槠渚哂泻艽蟮睦淞鸭y傾向，因此必須進(jìn)行焊前預(yù)熱處理，不同的預(yù)熱溫度不僅影響焊縫的組織形態(tài)，而且對(duì)焊接殘余應(yīng)力有很大的影響，在焊接過(guò)程中選擇合適的預(yù)熱溫度對(duì)焊接質(zhì)量的保證很重要。預(yù)熱溫度分別為20 ℃，100 ℃，200 ℃，300 ℃的焊縫縱向應(yīng)力分布云圖如8所示。

從應(yīng)力云圖可以看到，殘余應(yīng)力分布關(guān)于焊縫呈對(duì)稱分布，隨著預(yù)熱溫度的升高，熔池部位焊接殘余拉應(yīng)力的峰值呈下降趨勢(shì)，從整體應(yīng)力分布來(lái)看，殘余拉應(yīng)力的分布區(qū)域逐漸減小，壓應(yīng)力區(qū)域增大。提取焊縫上部垂直焊縫的路徑上的應(yīng)力分布如圖9所示，從圖中可以看出，縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力峰值隨預(yù)熱溫度的增加都呈下降趨勢(shì)，預(yù)熱溫度200以上，殘余拉應(yīng)力峰值低于400 MPa。

圖8 不同預(yù)熱溫度的焊縫應(yīng)力分布云圖

圖9 不同預(yù)熱溫度焊縫上部垂直焊縫的路徑上的應(yīng)力分布

℃從上面的分析可得，隨著預(yù)熱溫度的升高，焊接殘余應(yīng)力的峰值降低，且壓應(yīng)力區(qū)域增大，焊接修復(fù)效果更好，但是在實(shí)際的工程應(yīng)用中，預(yù)熱溫度太高一來(lái)費(fèi)用較大，二來(lái)會(huì)使焊接人員的工作環(huán)境惡化，不利于焊接過(guò)程的實(shí)施，因此在實(shí)際修復(fù)過(guò)程中選用200～250 ℃預(yù)熱較為合理。從圖中看出，橫向焊接殘余應(yīng)力出現(xiàn)驟降，可能是出現(xiàn)在預(yù)熱邊緣區(qū)，預(yù)熱邊緣處存在預(yù)熱過(guò)程不均衡導(dǎo)致熱輸入量較小，因而仿真結(jié)果出現(xiàn)這種趨勢(shì)，但并影響對(duì)于預(yù)熱溫度的選取。

2.3.2不同層厚的影響

對(duì)于多層多道焊的焊接修復(fù)涉及到層道的設(shè)計(jì)問(wèn)題，同一個(gè)焊縫，可以選擇比較大的層厚，較少的焊接層數(shù)；也可以選擇較小的層厚，較多的焊接層數(shù)。不同的層道設(shè)計(jì)對(duì)焊接質(zhì)量也有一定的影響。該節(jié)選用3種層道設(shè)計(jì)見(jiàn)表2，研究不同層道設(shè)計(jì)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響。

表2 不同的焊縫層道數(shù)設(shè)計(jì)

不同層厚的焊接縱向殘余應(yīng)力分布如圖10所示，從圖中可以看出，層厚不同對(duì)焊接殘余應(yīng)力的分布有一定的影響，層厚較小，層數(shù)較多的焊縫殘余應(yīng)力峰值較小，因?yàn)閷雍裣嗖畈淮?，因此?yīng)力峰值也相差不大，但趨勢(shì)可以體現(xiàn)出來(lái)。這種趨勢(shì)的主要原因是層厚較小時(shí)，層道數(shù)也就越多，焊接每一層時(shí)的熱輸入較小，雖然焊接過(guò)程中總的熱輸入沒(méi)有變化，但是在焊道之間有冷卻的過(guò)程，熱輸入是間隔輸入，殘余應(yīng)力較小。

圖10 不同層厚的焊接縱向殘余應(yīng)力分布云圖

為了分析焊縫上部拉應(yīng)力區(qū)的分布，提取焊縫上部垂直焊縫的路徑上的應(yīng)力分布如圖11所示，應(yīng)力分布情況相差不大，縱向應(yīng)力為拉壓趨勢(shì)，橫向應(yīng)力幾乎全為拉應(yīng)力，比較不同層厚的焊縫縱向殘余應(yīng)力的分布可以發(fā)現(xiàn)，2.0 mm層厚的焊縫的拉應(yīng)力寬度最小。焊接殘余應(yīng)力中的拉應(yīng)力容易引起試件的疲勞和裂紋。焊接拉應(yīng)力的區(qū)域越小越好，選用較小的層厚較多的層道數(shù)可以優(yōu)化焊接殘余應(yīng)力。

圖11 不同層厚焊縫上部垂直焊縫的路徑上的應(yīng)力分布

3 結(jié)論

(1)隨著預(yù)熱溫度的升高，焊接殘余應(yīng)力的峰值降低，且壓應(yīng)力區(qū)域增大，焊接修復(fù)效果更好，受焊接條件的限制，200～250 ℃預(yù)熱較為合理。

(2)層厚較小時(shí)，焊接殘余應(yīng)力的峰值也較小，且焊接拉應(yīng)力的寬度較小，宜采用較小層厚，較多層道數(shù)的焊接修復(fù)方法。