陳亞莉 何 佳 肖 祥 董 杰

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (三峽大學(xué)土木學(xué)院2) 宜昌 443000)

焊接冷卻時(shí)間對(duì)錨拉管殘余應(yīng)力影響研究*

陳亞莉1)何 佳2)肖 祥1)董 杰1)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (三峽大學(xué)土木學(xué)院2)宜昌 443000)

斜拉橋錨拉管焊接殘余應(yīng)力將會(huì)影響結(jié)構(gòu)的受力性能，為了研究焊接中冷卻時(shí)間對(duì)它的影響，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法.運(yùn)用磁測(cè)法和盲孔法對(duì)典型對(duì)接和T接焊縫模型的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)采用ANSYS有限元軟件建立焊縫的三維模型，試驗(yàn)測(cè)量值驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可行性.基于該數(shù)值模擬方法，研究在不同冷卻時(shí)間的作用下，斜拉橋錨拉管焊接殘余應(yīng)力的變化規(guī)律.結(jié)果表明，隨著錨拉管焊接冷卻時(shí)間的增長(zhǎng)，殘余應(yīng)力的分布規(guī)律保持不變，但拉應(yīng)力峰值增大，壓應(yīng)力峰值減小.為了減小殘余應(yīng)力的不利影響，應(yīng)當(dāng)縮短相鄰焊層間的冷卻時(shí)間或者采取預(yù)熱和保溫的措施.

道路工程；錨拉管；數(shù)值模擬；焊接殘余應(yīng)力；盲孔法；冷卻時(shí)間

0 引 言

在焊接的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)造成不利的影響.目前，對(duì)于斜拉橋錨固區(qū)殘余應(yīng)力的試驗(yàn)測(cè)量已有學(xué)者做過(guò)研究[1-3]，但是試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)有限，不能準(zhǔn)確的顯示殘余應(yīng)力的變化情況，所以對(duì)焊縫進(jìn)行數(shù)值模擬是非常有必要的.對(duì)焊接殘余應(yīng)力分析也只從焊接層數(shù)和道數(shù)、板件厚度、焊接順序以及焊接的速率、電流和電壓等方面進(jìn)行參數(shù)分析[4-9].針對(duì)多層多道焊接時(shí)，每道焊縫焊接完成后的冷卻時(shí)間對(duì)最終殘余應(yīng)力的影響分析較少.在多層多道焊縫施焊的過(guò)程中，兩道焊縫之間的冷卻時(shí)間如果過(guò)短，道間溫度過(guò)高，容易引起熱影響區(qū)晶粒粗大，使焊縫強(qiáng)度及低溫沖擊韌性下降[10-11].如果冷卻時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，道間溫度過(guò)低，不重新預(yù)熱就施焊容易在層間產(chǎn)生冷裂紋[12].施焊工人往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制冷卻時(shí)間，并沒有相對(duì)規(guī)范的時(shí)間控制.因此，有必要對(duì)焊接的冷卻時(shí)間進(jìn)行研究.

本文以蘭州西固黃河大橋?yàn)檠芯勘尘埃崩瓨虻腻^固區(qū)起著連接主梁和斜拉索的作用，是結(jié)構(gòu)的主要受力部分.此處的焊縫密集，如果殘余應(yīng)力得不到有效的控制，對(duì)結(jié)構(gòu)受力會(huì)有較大影響.因此，對(duì)斜拉橋錨固區(qū)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測(cè)和研究具有重要的意義.文中采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法，首先驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可行性，然后基于該數(shù)值模擬方法研究冷卻時(shí)間對(duì)斜拉橋錨拉管殘余應(yīng)力的影響，以便于采取有效的措施控制錨拉管的殘余應(yīng)力.

1 焊接模型試驗(yàn)

試驗(yàn)采用磁測(cè)法和盲孔法對(duì)比測(cè)量焊接試件的殘余應(yīng)力.盲孔法是半破壞性測(cè)試方法，若直接對(duì)錨拉管進(jìn)行測(cè)量，錨拉管將無(wú)法投入到橋梁的使用中,因此，采用與該錨拉管相同材料、加工工藝以及同一批工人現(xiàn)場(chǎng)制作的典型對(duì)接和T接焊縫模型試件進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量.

1.1 模型制作

試驗(yàn)材料為Q370qE，采用手工電弧焊，焊接電壓為30 V，焊接電流為270 A，焊接速度為0.004 m/s.對(duì)接焊縫模型M1的橫截面尺寸、焊道布置見圖1a)，焊道焊接順序?yàn)?,2,3→4,5；T接焊縫模型M2的橫截面尺寸、焊道布置見圖1b)，焊道焊接順序?yàn)?,2→3,4,5.

圖1 焊縫截面尺寸及焊道布置

1.2 試驗(yàn)方法

磁測(cè)法是基于鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)，通過(guò)測(cè)量磁性變化來(lái)測(cè)定鐵磁材料中的應(yīng)力大小.首先在對(duì)接和T接焊縫試件上打磨拋光，在測(cè)量區(qū)域畫出5行5列共25個(gè)測(cè)點(diǎn)，相鄰測(cè)點(diǎn)間距為70 cm.然后采用JH-30殘余應(yīng)力檢測(cè)儀對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量.再采用盲孔法測(cè)量進(jìn)行對(duì)比分析.盲孔法是利用JHZK型打孔設(shè)備在平面測(cè)點(diǎn)上鉆一個(gè)小孔，在該點(diǎn)貼上三向應(yīng)變計(jì)R1，R2和R3，通過(guò)應(yīng)變計(jì)測(cè)量出測(cè)點(diǎn)在鉆孔過(guò)程中釋放的應(yīng)變大小，再根據(jù)相關(guān)理論公式計(jì)算出殘余應(yīng)力大小.盲孔法共5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)縱向位于試件中心，與焊縫方向垂直.相關(guān)理論公式為

(1)

(2)

(3)

式中：ε1，ε2，ε3分別為三個(gè)應(yīng)變計(jì)R1，R2，R3的測(cè)量的應(yīng)變；A，B為應(yīng)變釋放系數(shù)，由試驗(yàn)測(cè)定；θ為殘余應(yīng)力σ1方向與R1軸向的夾角.

2 有限元數(shù)值模擬

為了研究錨拉管殘余應(yīng)力的分布規(guī)律以及不同冷卻時(shí)間對(duì)錨拉管殘余應(yīng)力的影響，首先建立與實(shí)際對(duì)接和T接焊縫試件具有相同尺寸和焊道布置的幾何模型，模擬焊接的過(guò)程.對(duì)比數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)量值，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果較吻合.基于此種模擬方法，建立錨拉管的有限元模型，僅改變冷卻時(shí)間參數(shù)的大小，得到最終殘余應(yīng)力的分布和變化規(guī)律.

2.1 模型建立

采用ANSYS軟件建立焊接模型，利用sweep網(wǎng)格劃分單元.焊縫區(qū)源面運(yùn)用映射方法劃分成加密的網(wǎng)格，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)源面劃分成較稀疏的網(wǎng)格，過(guò)渡區(qū)的單元采用自由網(wǎng)格劃分方式，使兩邊的單元均勻銜接.最終能夠在縮短運(yùn)算周期的基礎(chǔ)上得到一個(gè)準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，模型網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖2.

圖2 模型網(wǎng)格劃分結(jié)果圖

該計(jì)算模型運(yùn)用間接耦合單元，即首先利用溫度場(chǎng)單元對(duì)焊接模型進(jìn)行熱分析，再將該單元轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)場(chǎng)單元，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的分析計(jì)算.根據(jù)該原則，選用SOLID70單元作為溫度場(chǎng)單元，SOLID95單元作為結(jié)構(gòu)分析單元.

2.2 材料特性

Q370qE結(jié)構(gòu)鋼的熱物理性資料比較少，參考文獻(xiàn)[13]中焊接材料的性能，用于本文的數(shù)值模擬.其導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容、泊松比、線性膨脹系數(shù)、屈服應(yīng)力和彈性模量參數(shù)隨溫度變化情況見表1.

2.3 熱源模擬

采用生死單元法模擬焊接填充過(guò)程中熱源的輸入，焊接熱量均勻的分布在焊縫上.在建立好焊接幾何模型之后，首先將焊縫單元“殺死”，然后根據(jù)焊接的順序，依次“激活”焊縫單元，給激活的單元施加生熱率.生熱率的計(jì)算公式為

表1 Q370qE鋼熱物理性能

(4)

式中：Al為焊縫的橫截面積；dt為每個(gè)荷載步的時(shí)間步長(zhǎng)；k為焊接熱電弧效率，本文取值為0.7；U為焊接電壓；I為焊接電流；v為焊接速度.

2.4 邊界條件

進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)，施加熱力學(xué)邊界條件，其中包括恒溫、熱對(duì)流和輻射邊界條件.恒溫邊界條件模擬焊接模型周圍空氣環(huán)境溫度，本文取值為25 ℃；熱對(duì)流和輻射邊界條件是模擬焊接模型與外界氣體在接觸面上的熱量交換，為了便于計(jì)算，考慮總的換熱系數(shù).進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分析時(shí)，施加位移邊界條件，目的是防止模型在模擬焊接計(jì)算過(guò)程中發(fā)生剛體位移，施加的約束不能影響焊件在計(jì)算過(guò)程中的自由變形.

3 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

待對(duì)接和T接焊縫試件冷卻至室溫25 ℃之后，選取對(duì)接焊縫上表面路徑1路徑上和T接焊縫路徑2路徑上各測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象，采用磁測(cè)法和盲孔法共同測(cè)量其殘余應(yīng)力大小，同時(shí)提取數(shù)值模擬方法計(jì)算出的殘余應(yīng)力大小，圖3～4分別是對(duì)接和T接焊縫試驗(yàn)測(cè)量值和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的比較.其中橫向?yàn)榇怪庇诤缚p方向，縱向?yàn)槠叫杏诤缚p方向.

圖3 對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力分布

圖4 T接焊縫殘余應(yīng)力分布

由圖4可知，橫向殘余應(yīng)力呈現(xiàn)出W形，該方向應(yīng)力是由焊縫及附近塑形區(qū)域橫向和縱向收縮共同引起的，在焊縫中心處達(dá)到拉應(yīng)力峰值52.98 MPa.在過(guò)渡區(qū)應(yīng)力值逐漸減小，達(dá)到最大壓應(yīng)力值63.95 MPa，該區(qū)域應(yīng)力值不連續(xù)主要是過(guò)渡區(qū)單元?jiǎng)澐植痪鶆驅(qū)е碌?隨著離焊縫的距離增大，應(yīng)力值逐漸增大，最后趨近于零.縱向殘余應(yīng)力呈現(xiàn)出V形，在焊縫及附近的塑形區(qū)表現(xiàn)為壓應(yīng)力，之后迅速增大再緩慢減小，拉應(yīng)力峰值為154.50 MPa，壓應(yīng)力峰值為275.19 MPa.由圖5可知，T接焊縫在橫向和縱向均呈現(xiàn)出M形，焊縫中心受壓，在焊料和母材連接焊趾區(qū)域處出現(xiàn)最大殘余拉應(yīng)力.這是由于焊料在受高溫膨脹后，隨著焊件的冷卻，焊縫區(qū)收縮變形受到約束，在焊趾處達(dá)到最大拉應(yīng)力數(shù)值.應(yīng)力值隨著離焊縫距離的增加而減小，然后緩慢增加，最后趨于零.T接焊縫橫向和縱向的拉應(yīng)力峰值分別為98.20，156.85 MPa，壓應(yīng)力峰值分別為118.93，149.27 MPa.以上的結(jié)論符合一般殘余應(yīng)力的變化規(guī)律.綜合上述對(duì)接和T接焊縫的應(yīng)力結(jié)果來(lái)看，縱向殘余應(yīng)力的數(shù)值和變化幅度更大，對(duì)結(jié)構(gòu)更加不利.

由圖4～5可知，磁測(cè)法和盲孔法試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)和數(shù)值大小均與計(jì)算模擬值較吻合.說(shuō)明該計(jì)算模擬方法可以反映模型的真實(shí)受力狀態(tài)，模擬值還可以補(bǔ)充試驗(yàn)中未測(cè)點(diǎn)殘余應(yīng)力的分布，所以利用該模擬方法研究冷卻時(shí)間對(duì)錨拉管殘余應(yīng)力的影響是可行的.

4 冷卻時(shí)間對(duì)殘余應(yīng)力的影響

斜拉橋錨拉管焊縫橫截面尺寸及焊道布置見圖5，焊縫采用多層多道焊接，焊接順序?yàn)?→2→…→10.通過(guò)溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每道焊縫焊接完成之后冷卻16 min時(shí)，焊件形成均勻的溫度場(chǎng)，而且與外界環(huán)境溫度接近，此時(shí)構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力可以認(rèn)為是最終的殘余應(yīng)力，不再隨著冷卻時(shí)間的增長(zhǎng)而變化[13].因此，選取冷卻時(shí)間分別為0，4，8，12和16 min時(shí)對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力值進(jìn)行比較，研究不同冷卻時(shí)間對(duì)最終焊接殘余應(yīng)力的影響.基于上節(jié)中縱向殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)受力更為不利的結(jié)論，錨拉管主要研究冷卻時(shí)間對(duì)縱向殘余應(yīng)力的影響.分別選取路徑3和路徑4路徑上各測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象，圖5～6分別為測(cè)點(diǎn)縱向應(yīng)力值隨位置和冷卻時(shí)間的變化情況.

圖5 錨拉管焊縫橫截面尺寸

圖6 縱向殘余應(yīng)力

由圖6a)可知，在路徑3上，焊縫及附近熱影響區(qū)殘余應(yīng)力表現(xiàn)為“山”形，呈現(xiàn)出“拉-壓”交替式變換，在焊縫中心和焊趾處出現(xiàn)拉應(yīng)力峰值，最大值為232.98 MPa，接近材料的屈服強(qiáng)度.同時(shí)從殘余應(yīng)力云圖可知，在焊趾處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，這主要是因?yàn)楹缚p區(qū)溫度急劇變化，材料發(fā)生較大的膨脹和收縮變形，在過(guò)程中受到周圍區(qū)域的約束，產(chǎn)生了塑形變形，從而引起了較大的殘余應(yīng)力.由圖6b)可知，路徑4上各點(diǎn)在焊縫中部形成了較穩(wěn)定的殘余拉應(yīng)力區(qū)域，在焊縫的邊緣由于邊界效應(yīng)的影響，拉應(yīng)力逐漸變?yōu)閴簯?yīng)力，而且由于焊接順序的先后不同，殘余應(yīng)力的變化程度也有所差異.

由圖6可知，在不同冷卻時(shí)間的作用下，錨拉管縱向殘余應(yīng)力的分布規(guī)律保持不變，但應(yīng)力峰值發(fā)生了改變.圖7為縱向最大殘余拉應(yīng)力和壓應(yīng)力隨時(shí)間的變化圖，從由圖7可知，拉應(yīng)力峰值隨著冷卻時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，壓應(yīng)力峰值隨著冷卻時(shí)間的增長(zhǎng)而減小.拉應(yīng)力是引起結(jié)構(gòu)受力不利的主要因素，因此冷卻時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)結(jié)構(gòu)受力越不利.冷卻時(shí)間越長(zhǎng)，構(gòu)件溫度越低，新填焊料與已焊構(gòu)件的溫差越大，就會(huì)引起較大的變形和約束作用，使殘余拉應(yīng)力越大.相反，冷卻時(shí)間越短，新填焊料與已焊構(gòu)件形成一個(gè)相對(duì)溫差較小的溫度場(chǎng)，可以減小材料的收縮和變形，使殘余拉應(yīng)力越小.用Ri/j(i,j=0,4,8,12,16)表示冷卻時(shí)間從i變?yōu)閖時(shí)，對(duì)應(yīng)最大殘余應(yīng)力的變化率，見表2.由表2可見,拉應(yīng)力峰值的變化率R0/4>R4/8>R8/12>R12/16，壓應(yīng)力峰值的變化率在46%左右波動(dòng).在第一個(gè)4 min內(nèi)，拉應(yīng)力峰值的變化率最大，兩個(gè)路徑分別達(dá)到19%和81%.這是因?yàn)楹讣诶鋮s的過(guò)程中，溫度越高，熱量擴(kuò)散越快，因此溫度下降的速度越快.所以在第一個(gè)4 min的冷卻過(guò)程中，已焊構(gòu)件溫度變化最大，與新填焊料的溫差變化率最大，因此殘余應(yīng)力的變化率也最大.綜上所述，冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)影響結(jié)構(gòu)的溫度，從而引起了殘余應(yīng)力的變化.冷卻時(shí)間越長(zhǎng)，殘余拉應(yīng)力峰值越大，對(duì)結(jié)構(gòu)越不利.可以采取減少冷卻時(shí)間，或者適當(dāng)?shù)谋睾皖A(yù)熱措施，來(lái)減少新填焊料與已焊構(gòu)件的溫差，從而達(dá)到減小殘余拉應(yīng)力的目的.

圖7 應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

%

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)模擬方法，得到對(duì)接和T接焊縫的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，模擬得到的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)值基本吻合，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可行性.對(duì)比對(duì)接和T接焊縫縱橫向殘余應(yīng)力的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)縱向殘余應(yīng)力的數(shù)值和變化幅度更大，對(duì)結(jié)構(gòu)受力更為不利.

2) 經(jīng)過(guò)模擬數(shù)據(jù)分析，獲得了斜拉橋錨拉管縱向殘余應(yīng)力的分布規(guī)律.垂直于焊縫方向測(cè)點(diǎn)的縱向殘余應(yīng)力呈現(xiàn)“拉—壓”交替式分布，在焊縫中心處達(dá)到拉應(yīng)力峰值，其值接近材料的屈服強(qiáng)度；位于焊縫上的測(cè)點(diǎn)的縱向殘余應(yīng)力在中部形成穩(wěn)定的拉應(yīng)力區(qū)域，兩邊由于邊界效應(yīng)影響，逐漸變?yōu)閴簯?yīng)力.

3) 分析得到冷卻時(shí)間對(duì)斜拉橋錨拉管殘余應(yīng)力的影響.隨著冷卻時(shí)間的增長(zhǎng)，殘余應(yīng)力的分布規(guī)律保持不變，但拉應(yīng)力峰值逐漸增大，壓應(yīng)力峰值逐漸減小，對(duì)結(jié)構(gòu)越為不利.

4) 冷卻時(shí)間越短，殘余拉應(yīng)力峰值的變化率越大.為了減小殘余拉應(yīng)力的大小，應(yīng)減少相鄰焊層間的冷卻時(shí)間或者采用預(yù)熱和保溫的措施.

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Research on the Influence of Welding Cooling Time on the Residual Stress of Tensile Anchor Tube

CHEN Yali1)HE Jia1)XIAO Xiang1)DONG Jie1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(SchoolofCivilEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443000,China)2)

The welding cooling time of tensile anchor tube on the Cable-Stayed Bridge has great influence on the residual stress of the structure. Therefore, research on the cooling time is considered of great importance. The influence of cooling time on the residual stress is studied by means of both the numerical simulation and experimental measurement. Firstly, the residual stress of typical butt and T welds are measured by magnetic and blind hole method. Meanwhile, a three-dimensional model of welding seam is established by ANSYS finite element software. The test results verify the feasibility of the numerical simulation method. In addition, based on the numerical simulation method, variation of residual stress of tensile anchor tube on the Cable-Stayed Bridge under different cooling time is researched. Results show that with the growth of welding cooling time of tensile anchor tube, the distribution law of residual stress remains unchanged, but the peak tensile stress increases and the peak compressive stress decreases. In order to reduce the adverse effects of residual stress, measures of shortening the cooling time or preheating and heat preservation should be taken.

road engineering; tensile anchor tube; numerical simulation; welding residual stress; blind hole method; cooling time

2017-05-18

*甘肅省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目資助(201674)

U448.27

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.032

陳亞莉(1993—)：女，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與安全評(píng)估