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(duì)在不同溫度下高溫焊接的溫度場(chǎng)和焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明： 500℃，600℃和700℃溫度下高溫焊接焊縫中心點(diǎn)上縱向殘余應(yīng)力相對(duì)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(yīng)力的降低幅度分別為：17.6%，36.9%和63.8%；高溫焊接使得應(yīng)力場(chǎng)的分布趨于均勻化，溫度越高，應(yīng)力分布也越均勻。

關(guān)鍵詞：高溫焊接；數(shù)值模擬；殘余應(yīng)力

中圖分類號(hào)：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(guān)注的諸多問題中，降低或消除焊接殘余應(yīng)力是一項(xiàng)重要的課題。國內(nèi)外的研究者對(duì)此也做了大量的研究工作，并在此領(lǐng)域取得了令人矚目的成績(jī)。按照過程的性質(zhì)分類，調(diào)整和消除焊接殘余應(yīng)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(yīng)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(xué)形變法，經(jīng)常采用的爆炸處理、振動(dòng)時(shí)效以及過載拉伸等力學(xué)方法就屬于力學(xué)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(yīng)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(jìn)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(jié)束后正常冷卻至常溫。高溫焊接試驗(yàn)的結(jié)果表明：高溫焊接形成的焊接接頭的殘余應(yīng)力低，疲勞壽命高，證實(shí)了高溫焊接的優(yōu)越性。但高溫焊接物理試驗(yàn)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(yīng)力的分布、焊接過程中的變形過程也不易準(zhǔn)確測(cè)量，有必要建立高溫焊接的數(shù)值模擬模型，來對(duì)高溫焊接的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，并借助數(shù)值模擬手段對(duì)高溫焊接工藝進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

1 高溫焊接數(shù)值模擬模型

模擬試驗(yàn)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(duì)稱性，按1/2進(jìn)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(chǎng)計(jì)算的邊界條件

（1）假設(shè)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(duì)流換熱；

（3）焊縫中心面為絕熱邊界條件。

1.2 應(yīng)力場(chǎng)的邊界條件

（1）焊縫中心面施加對(duì)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(diǎn)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(dá)式如下：

其中，值取1，2，分別表示為前、后半個(gè)橢球?qū)?yīng)的參數(shù)； ，分別為橢球的三個(gè)半軸長(zhǎng)度；Q為理論熱輸入量；分別為隨熱源中心移動(dòng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

文中模擬了在500℃，600℃和700℃溫度下高溫焊接時(shí)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。

2 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

為了簡(jiǎn)化焊接前的加熱過程，此模型假設(shè)整個(gè)焊接試板在焊前500s內(nèi)完成加熱，即在前500s內(nèi)對(duì)所有單元節(jié)點(diǎn)施加固定溫度載荷，溫度載荷由20 ℃線性增大到預(yù)定溫度。焊接開始后，刪除溫度載荷，此時(shí)試件上各點(diǎn)處于預(yù)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(diǎn)溫度時(shí)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(diǎn)的溫度由于焊槍未到之時(shí)焊縫尚未填充，其溫度視為20 ℃。從圖2可以看到，高溫焊接時(shí)溫度越高，采用同樣的熱輸入焊接時(shí)，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(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)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(diǎn)縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力的時(shí)程曲線。從圖中可以看到，常溫焊接時(shí)焊縫區(qū)的縱向殘余應(yīng)力接近450 MPa，橫向殘余應(yīng)力接近80 MPa，而高溫焊接時(shí)殘余應(yīng)力均有所降低，溫度越高，降低的幅度越大，700 ℃焊接時(shí)縱向殘余應(yīng)力約為80 MPa，橫向應(yīng)力約為30 MPa，幾乎可以忽略不計(jì)。各溫度下高溫焊接焊縫中心點(diǎn)上縱向殘余應(yīng)力相對(duì)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(yīng)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(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力分布曲線。高溫焊接時(shí)殘余應(yīng)力的分布更為平坦，溫度越高，應(yīng)力分布越呈扁平化趨勢(shì)。

4 結(jié)論

（1）高溫焊接能有效地降低焊接殘余應(yīng)力，縱向殘余應(yīng)力的降低幅度高于橫向殘余應(yīng)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(yīng)力場(chǎng)的分布趨于均勻化，溫度越高，應(yīng)力分布也越均勻。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳懷寧，陳亮山，林泉洪.逆焊接溫差壓應(yīng)力層防護(hù)處理解決應(yīng)力腐蝕開裂新技術(shù)[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，1999，20（5）：49-51.

[2] 徐東，宋天民，張國福，等.逆焊接處理對(duì)金屬材料抗疲勞性能的測(cè)試[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2007，27（3）：38-40.

[3] 劉國偉，尚世顯，黃文龍.焊接后熱與焊后熱處理溫度對(duì)焊接殘余應(yīng)力松弛的試驗(yàn)研究[J].壓力容器，1994，11（5）：23-27.

[4] 張德芬，宋天民.機(jī)械振動(dòng)焊接對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響及機(jī)理分析[J].撫順石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，21（3）：53-56.

[5] 呂凱，趙亮.高溫焊接對(duì)15CrMoR焊接構(gòu)件抗應(yīng)力腐蝕性能的影響[J].經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息，2011（8）：118.

[6] 楊軍，宋天民，管建軍.高溫焊接對(duì)16MnR鋼疲勞壽命的影響[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào).2011，31（1）：25-27.

[7] 張智超，張國福，楊軍.高溫焊接對(duì)2.25Cr1Mo鋼焊接殘余應(yīng)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(jiǎn)介： 1967年出生，碩士，副教授，博士研究生；

主要研究方向?yàn)槭O(shè)備時(shí)效分析；ycj1967@163.com 。