葉子銘 楊曉東 王云 張世凱

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.云南工程抗震研究所 昆明 650500)

0 引言

剪切型軟鋼阻尼器是將軟鋼作為剪切板，利用其屈服強度低、延性好等優(yōu)點，與主體結(jié)構(gòu)相比，它能夠更早進(jìn)入屈服，從而可利用軟鋼屈服后的累計塑性變形來達(dá)到耗散地震能量的效果。其具有剛度、承載力、屈服位移等參數(shù)覆蓋范圍全面，性能穩(wěn)定、耐久性好、環(huán)境適應(yīng)性強、維護(hù)費用較低等優(yōu)點[1]。

本文利用有限元SYSWLED軟件平臺，在不同的焊接電流下，對剪切型焊接軟鋼阻尼器的焊接溫度場、應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值分析并同時通過實驗，分析和驗證焊接電流對焊接熱的影響，從減小焊接殘余應(yīng)力方面提高軟鋼阻尼器的整體性能。

1 不同焊接電流的焊接模擬及分析

1.1 模型建立

為了簡化計算采用T型焊縫，焊接過程中焊縫處理為規(guī)則的形狀焊接；考慮構(gòu)件在焊接時熔池附近的表面上下自由變形，并且在實際焊接中存在一定糊狀過度焊接區(qū)域，現(xiàn)有的研究中對其熱物理參數(shù)不具體，因此糊狀區(qū)的金屬忽略不計。本文選取平面分布熱源模型中的雙橢圓分布熱源進(jìn)行模擬。計算模型的網(wǎng)格采用八節(jié)點六面體單元，焊接數(shù)值模擬中初定焊接現(xiàn)場的溫度場為20 ℃。剪切型軟鋼阻尼器焊接模擬模型示意如圖1。

圖1 焊接模型示意圖

1.2 實驗方案及焊接熱效率選取

焊接熱效率的大小決定電弧轉(zhuǎn)換到焊接構(gòu)件上的能量的大小。采用焊條ER50-6的氣保焊，該焊接方法的熱效率為0.75～0.90。模擬焊接采用3種方案，即不同的焊接電流引起不同的線能量來焊接模擬，其中具體的焊接參數(shù)如表1。

表1 焊接模擬實驗參數(shù)

2 模擬實驗計算結(jié)果及分析

2.1 指定節(jié)點的熱循環(huán)曲線

以阻尼器耗能板與連接板焊接的焊縫為研究對象，將處于焊縫中心的節(jié)點設(shè)定為指定節(jié)點Y1,選取距離此中心點不同距離的點Y2,Y3,Y4,Y5(間距2 mm)，所有點的連線垂直于焊縫。圖2表示3種方案情況下繪制其焊接過程的熱循環(huán)曲線。熱循環(huán)曲線結(jié)果可知：焊接電流大小決定焊縫上的節(jié)點溫度最大值。方案一中焊接中心點Y1對應(yīng)最高溫度2 700 ℃左右；方案三中最高溫度達(dá)到3 100 ℃左右，而隨著焊接電流的減小，焊接的線能量也隨之減少，焊縫中心節(jié)點的溫度也隨之降低；當(dāng)移動熱源未到達(dá)Y1節(jié)點時，所選取的節(jié)點的溫度都是保持在室溫值，曲線幾乎水平。焊接移動熱源到達(dá)此點時，此焊縫中心點的溫度急劇上升，而且距離焊縫中心點越近，曲線斜率越大，上升速度越快，所產(chǎn)生的溫度也越高。方案一中在距離焊接中心點2 mm的位置節(jié)點Y2，最高的峰值溫度2 000 ℃，與中心節(jié)點的最高峰值溫度比，下降了將近三分之一，而距離焊縫中心4 mm的位置點Y3的溫度最高峰值為420 ℃左右，僅為焊縫中心處的溫度峰值的十分之一。當(dāng)熱源經(jīng)過此焊接節(jié)點位置時這個地方的溫度下降的很快，由于余熱，溫度下降的速度要比上升時的速度慢，最后慢慢冷卻到室溫，此刻的熱循環(huán)曲線近乎是一條水平的直線。

圖2 節(jié)點Y1不同預(yù)熱溫度下的熱循環(huán)曲線(以方案一為示例)

2.2 焊接瞬時應(yīng)力及殘余應(yīng)力

分析不同時刻下的焊接應(yīng)力分布以及分布規(guī)律，把方案一作為研究對象，其他兩組方案的焊接分布及其規(guī)律類同。規(guī)定沿著焊接路徑方向設(shè)定為縱向，垂直于焊接路徑的定義為橫向。同樣將阻尼器耗能板與連接板焊接的焊縫作為研究對象，圖3是焊接熱源過程(焊接時間20 s)熱源點前后出現(xiàn)的應(yīng)力差梯度。移動焊接熱源的后方存在較高的拉應(yīng)力，最大幅值可達(dá)到270 MPa(定義拉應(yīng)力值為正值)；移動焊接熱源的前方一段區(qū)域范圍內(nèi)出現(xiàn)了壓應(yīng)力，其最大幅值達(dá)到-410 MPa(定義壓應(yīng)力為負(fù)值)。分析可得到，移動焊接熱源附近出現(xiàn)不穩(wěn)定的較大的應(yīng)力差梯度，其原因是由于熱源點前后的溫度差造成的。熱源點的前方溫度很高，溫度的等溫線相對密集，導(dǎo)致焊接構(gòu)件的金屬由于高溫開始融化，再到金屬膨脹。但是焊縫金屬的擴展區(qū)域被較低溫的母材金屬區(qū)域所圍繞，一定程度上阻礙了金屬的擴展，該區(qū)域內(nèi)逐漸有壓應(yīng)力產(chǎn)生，逐漸達(dá)到很高的數(shù)值；在熱源點的后方熱源經(jīng)過后，金屬由熱到冷卻凝固過程會出現(xiàn)結(jié)晶，金屬結(jié)晶冷卻收縮，但周圍低溫的金屬區(qū)域約束著，限制被作用金屬區(qū)域的冷卻收縮，阻礙到一定程度，這部分區(qū)域開始發(fā)生塑性變形，所產(chǎn)生的應(yīng)力就形成殘余應(yīng)力留在構(gòu)件中，導(dǎo)致整體構(gòu)件的力學(xué)性能下降。

(a)縱向應(yīng)力

(b)橫向應(yīng)力

圖4中當(dāng)移動熱源接近指定節(jié)點Y1時，其縱向瞬時應(yīng)力和橫向瞬時應(yīng)力迅速的增長，此時縱向瞬時應(yīng)力為壓應(yīng)力，其縱向瞬時應(yīng)力峰值為-305.8 MPa，且小于橫向瞬時應(yīng)力峰值-323.3 MPa。當(dāng)移動熱源遠(yuǎn)離此節(jié)點后，焊縫內(nèi)的液態(tài)金屬開始冷卻，瞬時的橫向應(yīng)力和縱向應(yīng)力均減小。當(dāng)焊接構(gòu)件冷卻到一定時間后，應(yīng)力不變，應(yīng)力曲線會逐漸的變得平滑。此時，留在此節(jié)點焊接殘余應(yīng)力保持在焊縫內(nèi)部。

(a)縱向應(yīng)力

(b)橫向應(yīng)力

在方案一中，焊接模擬作用在構(gòu)件上的瞬時橫向應(yīng)力和瞬時縱向應(yīng)力的分布特點很相似，如果焊接模擬熱源尚未移動到節(jié)點位置，則其縱向和橫向應(yīng)力為零；而當(dāng)移動熱源馬上到達(dá)此節(jié)點Y1時，此時的這個位置的瞬時橫向應(yīng)力和瞬時縱向應(yīng)力迅速增大，達(dá)到最大值，縱向應(yīng)力的最大值為340 MPa，大于橫向瞬時應(yīng)力最大值360 MPa，并且都是表現(xiàn)為壓應(yīng)力狀態(tài)，瞬時縱向應(yīng)力的分布范圍比瞬時橫向應(yīng)力的寬。當(dāng)移動焊接熱源離開此點后，此節(jié)點周圍的金屬冷卻凝固，瞬時橫向壓應(yīng)力和瞬時縱向壓應(yīng)力開始減小，由壓應(yīng)力狀態(tài)變成拉應(yīng)力狀態(tài)，這是因為在移動熱源的后方由于焊縫里的液態(tài)金屬冷凝結(jié)晶，產(chǎn)生收縮變形，但受到周圍較冷的金屬束縛限制均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，在移動熱源前方，焊接金屬和周圍的基礎(chǔ)材料受到高溫影響時，金屬會發(fā)生熱膨脹，但是熱膨脹受到周圍的較冷的基礎(chǔ)材料的限制，在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力區(qū)域，從而形成了很大的一個焊接瞬時壓應(yīng)力梯度區(qū)域。當(dāng)冷卻到一定的時間后，應(yīng)力波動慢慢減小，應(yīng)力不再發(fā)生變化，逐漸穩(wěn)定，應(yīng)力曲線也變得較為平滑，此時，留在此節(jié)點焊接殘余應(yīng)力保持在焊縫內(nèi)部。

圖5是3種不同電流大小作用下，耗能板以及翼緣板連接路徑上的焊接殘余應(yīng)力橫、縱向的分布。通過比較得出：焊接熱源開始和結(jié)束的瞬間，即焊接的起弧和收弧時刻，橫向焊接殘余應(yīng)力和縱向的焊接殘余應(yīng)力會有一瞬間的提高，存在顯著的應(yīng)力浮動。因在焊接時電焊的電弧會引起一瞬間的不穩(wěn)定，會造成焊接開始和結(jié)束階段的應(yīng)力不穩(wěn)定階段。而在3種應(yīng)力階段的中間時刻，曲線相對平直，表明焊接在中間位置的焊接殘余應(yīng)力分布穩(wěn)定，電弧作用能量也穩(wěn)定。并且由于兩端都是各個鋼板的焊接連接處，容易造成殘余應(yīng)力集中，因此焊接殘余應(yīng)力在焊接構(gòu)件的連接處均有殘余應(yīng)力不規(guī)律波動出現(xiàn)。其次，縱向的焊接殘余應(yīng)力明顯大于橫向殘余應(yīng)力，說明焊接線方向的殘余應(yīng)力發(fā)生由縱向殘余應(yīng)力為主，橫向殘余則是更多地控制著熱影響區(qū)寬度的分布。此外，3種方案顯示焊接電流小，焊接產(chǎn)生的線能量就小，達(dá)到的應(yīng)力幅值小。隨著焊接電流的增大，其焊接殘余應(yīng)力也增大。例如方案一中焊接開始端和結(jié)束端的應(yīng)力大概接近-5 MPa，而方案三中的焊接開始端和結(jié)束端明顯接近-15 MPa。因此在保證焊接要求以及焊接后質(zhì)量條件下，選用較小的焊接線能量，可在一定程度上減小焊接殘余應(yīng)力。

(a)縱向應(yīng)力

(b)橫向應(yīng)力

3 焊接殘余應(yīng)力試驗

通過電弧擺動焊接，利用盲孔法試驗測試構(gòu)件的表層殘余應(yīng)力。盲孔法的基本原理是假設(shè)材料里存在焊接殘余應(yīng)力場，在任意位置打孔鉆取，認(rèn)為此處鉆點位置，材料被破壞導(dǎo)致材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力與工件自身應(yīng)力平衡場破壞，此時鉆孔處位置需要產(chǎn)生相對應(yīng)的應(yīng)變來平衡被破壞的應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變。通過測量此時產(chǎn)生的應(yīng)變，通過相關(guān)計算轉(zhuǎn)換公式可以得到此處的焊接殘余應(yīng)力。圖6為盲孔法的構(gòu)造圖以及盲孔法的布置示意圖。

1-放大鏡；2-套筒；3-x、y方向調(diào)整螺絲；4-支架高度調(diào)整螺母；5-粘接墊；6-直角應(yīng)變片；7-方向節(jié)；8-鉆桿；9-鉆頭

在待測鋼板上通過待測點，在其上面利用濟南西格馬科技有限公司研發(fā)的RSD1殘余應(yīng)力打孔裝置，鉆取一定的深度(不鉆通)，本實驗一共4組，每組由兩塊Q345b普通鋼材焊接后，整條焊縫長度為200 mm，沿著焊縫路徑，為了測得焊接殘余應(yīng)力，綜合分析測試，最后決定沿著焊縫路徑25、75、125、175 mm，垂直距離焊縫2 mm左右的位置貼上應(yīng)變片，進(jìn)行盲孔法通過應(yīng)力公式轉(zhuǎn)化得到測量焊接殘余應(yīng)力，如圖7所示。

圖7 盲孔法實驗

通過數(shù)據(jù)處理擬合，可得到如圖8的4組盲孔法實驗縱向殘余應(yīng)力的路徑圖，利用折線圖得到焊接縱向殘余應(yīng)力，由于測量數(shù)據(jù)分析得到的橫向殘余應(yīng)力有很大的波動誤差，在此僅考慮縱向殘余應(yīng)力的分析。

圖8 焊接實驗縱向殘余應(yīng)力

通過分析觀察，縱向焊接殘余應(yīng)力最大值在中間位置應(yīng)力應(yīng)變片的125 mm處的289.1～310.4 MPa范圍內(nèi)，兩端應(yīng)力應(yīng)變片數(shù)值最小，在60～102 MPa范圍內(nèi)。4組實驗測量數(shù)據(jù)中，與本文數(shù)值模擬的焊接殘余應(yīng)力最大值290 MPa誤差為6.5%，將其擬合成平滑曲線，可以看到呈現(xiàn)一個拱門，與本文焊接模擬的曲線數(shù)值近似吻合。

4 結(jié)論

通過有限元焊接SYSWELD軟件模擬焊接影響，重點分析不同焊接電流的作用下，所研究的焊接剪切型軟鋼阻尼器的溫度場、應(yīng)力場的影響。本文在相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論與有限元模擬分析，主要得出了以下結(jié)論：

(1)隨著焊接電流增加，焊縫的能量增加，熔池峰值的溫度也增加，焊接殘余應(yīng)力場的應(yīng)力幅值在一定程度增大，但應(yīng)力幅值的增加不明顯，其差值一般小于5%。

(2)隨著焊接線能量的增加，焊接中心的峰值溫度也會上升，焊接橫向方向兩側(cè)的的節(jié)點單元峰值溫度增幅相對較小。

(3)焊接殘余應(yīng)力更多的是受到縱向殘余應(yīng)力為主，橫向殘余應(yīng)力控制著焊接熱影響區(qū)的分布，熱影響范圍大致是2～17 mm。

(4)試驗測得焊接縱向殘余應(yīng)力最大值290 MPa，與盲孔法測的縱向應(yīng)力大小310 MPa誤差為6.5%；并且縱向殘余應(yīng)力分布也相似，表明SYSWLED焊接模擬和實驗具有良好的相似性。