谷曉梅1,2， 張曉飛， 宋彥宏

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一一研究所，上海 201108; 2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003;3.陸軍軍事交通學(xué)院 船艇動力系， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

近年來，一些船體結(jié)構(gòu)已逐漸采用高強(qiáng)度鋼板焊接而成，在建造過程中，施工人員一般憑借自身的焊接經(jīng)驗或前期進(jìn)行一系列力學(xué)試驗保證焊接質(zhì)量。焊件的加熱和冷卻不均勻?qū)е潞缚p各點(diǎn)的熱循環(huán)曲線不同，產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，復(fù)雜的應(yīng)力狀況可能降低結(jié)構(gòu)受力性能[1]。若僅依靠人工試驗積累測試數(shù)據(jù)，則需花費(fèi)大量時間和試驗經(jīng)費(fèi)。目前，數(shù)值模擬方法已成為分析焊接殘余應(yīng)力的重要手段[2-4]。

蒼松等[5]以T型焊接接頭為例，通過數(shù)值仿真分析不同預(yù)熱溫度和不同焊接速度對殘余應(yīng)力的影響，但是并沒有進(jìn)行試驗對比。張勝躍等[6]選取12Cr1MoV異質(zhì)接頭作為試驗材料，研究焊接電壓、焊接電流等焊接工藝參數(shù)之間的耦合關(guān)系，并通過試驗和有限元法對焊接過程進(jìn)行分析，結(jié)果表明焊接電壓、焊接電流與焊接殘余應(yīng)力等線性正相關(guān)。周方明等[7]研究冷金屬過渡(Cold Metal Transfer， CMT)技術(shù)平板堆焊焊道間距和焊槍傾角對焊縫成形的影響。AMIN等[8]研究電流、電弧電壓、焊接速度和夾角對低碳鋼埋弧焊殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明焊接速度和電弧電壓對殘余應(yīng)力有顯著影響。ALIPOORAMIRABAD等[9]研究兩種焊接方法(藥芯焊絲和改進(jìn)型短弧焊組合焊接方法、保護(hù)金屬電弧焊焊接方法)對高強(qiáng)度低合金鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的影響。

目前關(guān)于焊接工藝參數(shù)對船用高強(qiáng)度鋼平板殘余應(yīng)力影響的研究較少，本文以高強(qiáng)度鋼平板對接焊為研究對象，采用試驗和數(shù)值模擬的方法，分析不同焊接電流和焊接速度對高強(qiáng)度鋼對接焊平板殘余應(yīng)力的影響，從而達(dá)到改變相關(guān)工藝參數(shù)降低焊接殘余應(yīng)力的目的。

1 焊接有限元分析相關(guān)理論

1.1 焊接溫度場有限元分析

焊接件的溫度分布是坐標(biāo)和時間的函數(shù)[10]：

T=f(x,y,z,t)(1)

式中：x、y、z為空間坐標(biāo)；t為時間坐標(biāo)；T為溫度分布函數(shù)。

焊接溫度場的分析屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題[11]，其控制方程為

(2)

1.2 焊接應(yīng)力場有限元分析

基于熱彈塑性分析方法，采用ANSYS有限元分析軟件對焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。

1.2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

由于焊接溫度場的存在，焊接件產(chǎn)生一定的彈塑性變形，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為

dσ=Ddε-CdT(3)

式中：dσ為應(yīng)力增量；dε為應(yīng)變增量；D為彈性或彈塑性矩陣；C為與溫度有關(guān)的向量。

1.2.2 有限元平衡方程

結(jié)構(gòu)某一單元在有限元分析中有如下平衡方程：

dFe+dRe=Kedδe(4)

式中：dFe為單元節(jié)點(diǎn)上力的增量；dRe為溫度引起的單元初應(yīng)變等效節(jié)點(diǎn)力增量；dδe為節(jié)點(diǎn)位移增量；Ke為單元剛度矩陣。

整個構(gòu)件的平衡方程為

Kdδ=dF(5)

式中：總剛度矩陣K=∑Ke；總載荷向量dF=∑(dFe+dRe)；dδ為各節(jié)點(diǎn)位移增量。考慮到焊接過程一般無外力作用，環(huán)繞每個節(jié)點(diǎn)的單元相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的力是自相平衡的力系，即可取∑Fe=0，故有dF=∑dRe。

1.3 熱源模型

采用均勻熱源模型模擬對接焊接頭焊縫可更合理地反應(yīng)焊接殘余應(yīng)力分布。均勻熱源模型即為體熱源模型，模擬過程中輔以“生死”單元，以熱率載荷的形式加載，其表達(dá)式[12]為

(6)

式中：H為生熱率；η為電弧有效熱效率；U為焊接電壓；I為焊接電流；A為焊縫橫截面積；v為焊接速度；dt為每載荷步加載時間。

2 高強(qiáng)度鋼對接焊平板殘余應(yīng)力數(shù)值模擬

圖1 平板尺寸

采用ANSYS有限元分析軟件中的APDL語言編制對接焊平板殘余應(yīng)力計算程序。

2.1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

研究對象為船用高強(qiáng)度鋼對接平板，由兩塊尺寸為150 mm×200 mm×6 mm的高強(qiáng)度鋼板焊接而成，平板尺寸為300 mm×200 mm×6 mm，如圖1所示。焊接方式為單面焊接，焊縫寬度為10 mm。高強(qiáng)度鋼材料屬性如表1所示。

表1 高強(qiáng)度鋼材料參數(shù)

圖2 焊接試件有限元模型

以平板長度方向為x軸、寬度方向為y軸、厚度方向為z軸，參照圖1尺寸建立有限元模型，如圖2所示。為了獲得良好的瞬態(tài)溫度場，參考文獻(xiàn)[13]將焊縫區(qū)網(wǎng)格尺寸細(xì)化，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)網(wǎng)格尺寸逐漸增大，既保證計算精度，又減少計算時間。

2.2 邊界條件

根據(jù)施工工藝情況和條件，在實際焊接時高強(qiáng)度鋼平板的四角固定，所以在有限元計算時，限制焊件四角的自由度以確保平板在焊接模擬過程中不會發(fā)生剛性位移。定義初始溫度和環(huán)境溫度為20 ℃，并在平板與空氣接觸的外表面區(qū)域施加對流載荷，取對流放熱系數(shù)為62.5 W/(m2·℃)，以模擬實際焊接過程中平板與周圍空氣的熱對流、熱交換過程。

2.3 計算結(jié)果

計算在焊接速度為8 cm/min和焊接電流為122 A工藝條件下高強(qiáng)度鋼平板的焊接殘余應(yīng)力。由于垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力σx對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較大影響，取焊件有限元模型一半寬度線上垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力σx繪制分布曲線，如圖3所示。從圖3可知，垂直于焊縫方向的焊接殘余應(yīng)力σx呈對稱單峰形式分布，在焊縫中心線上的殘余應(yīng)力最大，兩側(cè)的殘余應(yīng)力急劇減小，在焊趾(即熔合線)部位的殘余應(yīng)力較熱影響區(qū)略小，熱影響區(qū)再向外，離焊縫中心線越遠(yuǎn)，焊接殘余應(yīng)力緩慢減小。

圖3 焊縫軸向焊接殘余應(yīng)力σx分布曲線

3 高強(qiáng)度鋼對接焊平板殘余應(yīng)力試驗

3.1 焊接要求

試驗所采用的焊接工藝要求[14]如下：

(1) 焊接過程嚴(yán)格按照《高強(qiáng)度鋼焊接基本規(guī)則》執(zhí)行。

(2) 在焊接時，采用手工電弧焊作業(yè)。電焊機(jī)使用直流電源，接法為反極性，允許電網(wǎng)的波動范圍為±15%。

(3) 采用Ф3.2 mm×350 mm的J507碳鋼焊條進(jìn)行焊接。

(4) 在焊接過程中，保持勻速焊接，確保焊接的線能量不大于19 kJ/cm，記錄每塊焊接試件的焊接電壓、電流和焊接速度數(shù)據(jù)。

按照焊接要求，將6塊尺寸均為150 mm×200 mm×6 mm的焊接試板每兩塊焊接成1塊尺寸為300 mm×200 mm×6 mm的平板試件，分別命名為A板、B板、C板，焊接電壓為23 V，焊接電流為122～124 A，焊接速度為7.8～8.7 cm/min，環(huán)境溫度為20 ℃。焊接后的試件如圖4所示。每塊試件的焊接工藝參數(shù)如表2所示。

圖4 焊接試件及焊接工藝參數(shù)

焊接工藝參數(shù)A板B板C板焊接電流I/A124122122焊接電壓U/V232323焊接時間t/s147154138

3.2 焊接殘余應(yīng)力測量

圖5 測點(diǎn)位置圖

有損檢測焊接殘余應(yīng)力測量方法是利用機(jī)械加工或其他方法將被測件一部分去除，造成部分或全部殘余應(yīng)力釋放，測定相應(yīng)的位移、裂紋和應(yīng)變等量值，并通過力學(xué)分析和計算，推算被測件原始存在的殘余應(yīng)力。為便于測量，大多數(shù)有損檢測選定應(yīng)變作為測量參數(shù)。有損檢測法主要包括盲孔法、環(huán)芯法、剝層法、剖面法和裂紋法等。

圖6 試板應(yīng)變花布置圖

盲孔法是目前較為成熟的方法，其基本思路是在具有殘余應(yīng)力的構(gòu)件上鉆1個小孔，使孔的鄰域內(nèi)由于部分應(yīng)力釋放而產(chǎn)生相應(yīng)的位移和應(yīng)變，經(jīng)相關(guān)公式換算后得到鉆孔處原有的殘余應(yīng)力。

采用盲孔法對試件垂直于焊縫方向的軸向殘余應(yīng)力σx進(jìn)行測量，步驟如下：

(1) 選取如圖4所示的3塊高強(qiáng)度鋼平板試件焊縫中心線處和距焊縫中心線±5 cm處的3個點(diǎn)作為測量點(diǎn)，分別命名為測點(diǎn)#1、#2、#3，測點(diǎn)位置如圖5所示。

(2) 打磨并用丙酮或酒精清洗測量點(diǎn)表面，在測點(diǎn)位置貼上如圖6所示的應(yīng)變花，在應(yīng)變花中心打1個直徑約2 mm、深約2.5 mm的小盲孔引起殘余應(yīng)力釋放。

(3) 采用濟(jì)南西格瑪公司生產(chǎn)的ASMC1-9應(yīng)變測量儀測得釋放量并通過計算得到3個測點(diǎn)位置的殘余應(yīng)力大小。

(4) 將每個測點(diǎn)測量結(jié)果取平均值作為最終測量結(jié)果，如表3所示。

表3 焊接試件軸向殘余應(yīng)力平均值

3.3 試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比

將第3.2節(jié)測量結(jié)果與第2.3節(jié)焊接數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗證，如圖7所示。從圖7可知，測量數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，表明數(shù)值模擬的合理性，并且可滿足接下來的分析要求。因此，應(yīng)用本文有限元分析方法進(jìn)行高強(qiáng)度鋼焊接數(shù)值模擬研究是可行的。

圖7 測量值與模擬計算結(jié)果對比

4 焊接工藝參數(shù)對高強(qiáng)度鋼對接焊平板殘余應(yīng)力影響

4.1 研究工況

以某船廠高強(qiáng)度鋼焊接工藝參數(shù)范圍為參照，分別將8 cm/min、10 cm/min、12 cm/min等3種不同焊接速度和100 A、110 A、120 A、130 A等4種不同焊接電流進(jìn)行自由組合，得出如表4所示的12種工況，分別對這12種工況進(jìn)行焊接數(shù)值模擬，并將計算結(jié)果進(jìn)行比較。

表4 12種焊接工況組合形式

4.2 不同焊接電流對高強(qiáng)度鋼對接焊平板殘余應(yīng)力影響

在其他條件不變的前提下，僅改變焊接電流，使焊接線能量產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和分布。對比分析焊接速度值一定、焊接電流不同的3組工況下數(shù)值模擬計算結(jié)果，研究焊接電流對高強(qiáng)度鋼平板對接焊焊接殘余應(yīng)力的影響程度。

當(dāng)焊接速度為8 cm/min時，不同焊接電流情況下焊接殘余應(yīng)力對比如圖8所示。當(dāng)焊接速度為10 cm/min和12 cm/min時，不同焊接電流情況下焊接殘余應(yīng)力對比圖與焊接速度為8 cm/min時分布規(guī)律基本相同，均呈對稱單峰分布，僅最大值有所變化。不同焊接速度下各工況殘余應(yīng)力最大值如表5所示。

圖8 V8工況焊縫軸向焊接殘余應(yīng)力分布對比圖

表5 12種焊接工況軸向殘余應(yīng)力最大值 MPa

將表4和表5中V8(V8I100、V8I110、V8I120、V8I130)、V10(V10I100、V10I110、V10I120、V10I130)、V12(V12I100、V12I110、V12I120、V12I130)等3組工況下的軸向焊接殘余應(yīng)力最大值采用回歸分析法，用多項式進(jìn)行擬合，形成擬合曲線如圖9所示。通過對比可知：增大焊接電流，焊接殘余應(yīng)力最大值隨之增大；當(dāng)焊接電流升高至一定程度后，殘余應(yīng)力最大值的增大趨勢逐漸減緩。

圖9 不同焊接電流對平板最大殘余應(yīng)力的影響

4.3 不同焊接速度對高強(qiáng)度鋼對接焊平板殘余應(yīng)力的影響

圖10 I100工況焊縫軸向焊接殘余應(yīng)力分布對比圖

在其他條件不變的前提下，僅采用不同焊接速度進(jìn)行焊接模擬，使焊接線能量產(chǎn)生差異，從而影響焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和分布。將12種工況分成焊接電流為100 A、110 A、120 A、130 A的4組，研究不同焊接速度對高強(qiáng)度鋼平板對接焊焊接殘余應(yīng)力的影響程度。

當(dāng)焊接電流為100 A時，不同焊接速度的焊接殘余應(yīng)力計算結(jié)果如圖10所示。當(dāng)焊接電流為110 A、120 A、130 A時，不同焊接速度的焊接殘余應(yīng)力計算結(jié)果與焊接電流為100 A時分布規(guī)律基本相同，均呈對稱單峰分布，僅最大值有所變化。

將表4和表5中100 A(V8I100、V10I100、V12I100)、110 A(V8I110、V10I110、V12I110)、120 A(V8I120、V10I120、V12I120)、130 A(V8I130、V10I130、V12I130)等4組工況下的焊接殘余應(yīng)力最大值采用回歸分析法，用多項式進(jìn)行擬合，形成擬合曲線如圖11所示。通過對比可知：當(dāng)焊接速度逐漸加快，焊接電流在100～110 A時，焊接殘余應(yīng)力最大值隨之增大；但焊接電流在120～130 A時，焊接殘余應(yīng)力最大值逐漸變小。

圖11 不同焊接速度對平板最大殘余應(yīng)力的影響

焊接應(yīng)力是由焊接過程中不均勻加熱導(dǎo)致的，因此焊接熱輸入是影響焊接殘余應(yīng)力的關(guān)鍵因素。通常1條焊縫施焊處受熱發(fā)生膨脹變形，最高溫度可達(dá)到材料的沸點(diǎn)，隨后在凝固冷卻時發(fā)生收縮，熱源附近金屬形成的溫度場的溫度梯度較大，其形成的主要原因是焊接熱輸入[15]。

通常來講，熱輸入的差異主要由焊接電流和焊接速度引起。當(dāng)焊接電流較小時，焊接熱輸入整體較小，焊接速度越大，焊接溫度場梯度變化越大，焊件受熱不均勻現(xiàn)象越嚴(yán)重，焊接殘余應(yīng)力值越大，如圖11焊接電流在100 A和110 A工況所示。當(dāng)焊接電流較大時，焊接熱輸入明顯增大，雖然焊接速度也增大，但從整體看，溫度梯度的變化減緩，即焊件受熱相對均勻，焊接殘余應(yīng)力反而逐漸減小，如圖11焊接電流在120 A和130 A工況所示。

5 結(jié) 論

以高強(qiáng)度鋼平板對接焊為研究對象，采用數(shù)值模擬和試驗驗證的方法，對比分析在不同焊接電流和焊接速度值時高強(qiáng)度鋼平板對接焊的殘余應(yīng)力分布，主要結(jié)論如下：

(1) 在焊接方法、焊接速度及其他條件相同的前提下，升高焊接電流，垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力分布曲線形狀近似相同。焊接殘余應(yīng)力最大值隨電流升高而增大，當(dāng)焊接電流升高至一定值后，殘余應(yīng)力最大值隨電流升高而增大的趨勢逐漸減緩。

(2) 在焊接方法、焊接電流及其他條件相同的前提下，增大焊接速度，垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力分布曲線形狀也近似相同。當(dāng)焊接速度逐漸增大，焊接電流在100～110 A時，焊接殘余應(yīng)力最大值隨之增大；然而當(dāng)焊接電流在120～130 A時，焊接殘余應(yīng)力最大值逐漸變小，但其值還是遠(yuǎn)大于焊接電流在100～110 A時的焊接殘余應(yīng)力。

(3) 由于焊接速度為8 cm/min、焊接電流為100 A時焊縫的焊接殘余應(yīng)力為所有工況中最小的，從減小焊接殘余應(yīng)力的角度出發(fā)，建議焊接速度8 cm/min、焊接電流100 A為高強(qiáng)度鋼平板對接焊時的最佳參數(shù)。