16MnR窄間隙焊接殘余應力的數值模擬

張錦洲

熊禾根(冶金裝備及其控制教育部重點實驗室(武漢科技大學)，湖北 武漢 430081)

楊 雄(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

16MnR窄間隙焊接殘余應力的數值模擬

熊禾根(冶金裝備及其控制教育部重點實驗室(武漢科技大學)，湖北 武漢 430081)

楊 雄(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

16MnR是一種應用廣泛的壓力容器用鋼，窄間隙焊接是其主要連接手段，采用雙橢球形熱源，運用數值模擬分析其焊后殘余應力，得出其分布規律，對壓力容器的制造生產提供了有益的幫助。

16MnR；雙橢球形熱源；殘余應力；數值模擬

16MnR是制作壓力容器的專用鋼板，其強度較高、塑性韌性良好，屬低合金高強度鋼，應用較為廣泛。壓力容器制造中的主要的連接手段即為焊接，尤其是采用窄間隙時，焊接無需開坡口，大大節省了填充金屬，節約了勞動時間。但焊后容易產生未焊透及夾渣等缺陷，形成較大焊接殘余應力影響其質量及壽命[1]。因此，分析16MnR窄間隙焊接殘余應力有著極其重要作用。

1 16MnR窄間隙焊接數值模擬

1.1建立平板對接接頭有限元模型

采用sysweld軟件建模，建立40mm×3mm×90mm的模型，建模、網格劃分如圖1，圖2。在模型的網格化分中焊縫區的網格密集一些，而非焊縫區的網格疏一些。這樣既減少了總體的運算量，又能保證計算精度。

圖1 建模

圖2 網格劃分

1.2材料的性能參數

被焊金屬材料的性能，包括機械性能諸如彈性模量、屈服應力、泊松系數、熱應變、應變硬化，熱學性能諸如線脹系數、比熱、導熱系數、密度、焓值等，都會直接影響到焊接質量的好壞。焊接過程是高溫過程，各項性能參數會隨溫度而變化。16MnR的彈性模量隨溫度增高而下降,其中E=E0(1-25αT)。其中E0是溫度T=0℃時的彈性模量E值，α是材料的線脹系數，線脹系數α隨溫度增高而有所增大；材料的屈服強度隨著溫度的降低與應變速率的增高而升高；比熱容隨溫度升高而增加,在低溫時增加較快,在高溫時增加較慢[2]。其他參數采用插值法確定。

1.3焊接熱源的校核

圖3 雙橢球功率密度分布熱源圖

1)熱源模型 焊接熱源模型，可以認為是對作用于焊件上的、在時間域和空間域上的熱輸入分布特點的一種數學表達。熱輸入一般可用溫度、熱流、生熱率或熱流密度等來表示。在焊接數值模擬問題中，焊接熱源模型是以一個熱輸入邊界條件的形式結合到數值分析模型中去的。筆者選擇雙橢球型熱源模型，如圖3。由于熱源具有一定移動速度，因此熱源中心前面的功率密度梯度較大，而熱源中心后面的功率密度梯度較小。根據這一特征，雙橢球功率密度分布熱源模型把熱源拆分為2部分，有2個1/4 橢球功率密度分布熱源按比例組合而成，熱源中心前面的橢球長半軸比熱源中心后面的橢球長半軸短，寬半軸及高半軸相同[3]。

這種模型將前半部分作為一個1/4 橢球, 后半部分作為另一個1/4 橢球。其數學表達式為：

(1)

式中，q為熱通量,J·m-2·s-1；x,y,z是相對于熱源中心的坐標,mm；Q1,2是熱源前半球和后半球的能量密度,J/m3；a1，a2，b，c是與熔池形狀相關的參數,mm。

根據式(1)可知，熱源中心前面的熱流分布比后面的熱流分布要陡得多，而后面的熱量分布要較前面多。橢球的2個特征參數a與b可以改變熱流強度以及控制體積中的熱流分布，從而決定了焊接熱模擬的熔池形狀，a與b得取值應當使模擬的熔池形狀和實驗測定的熔池形狀相吻合。對于手工電弧焊形成的焊接溫度場，橢球特征參數a與b的取值應當使模擬的熔池形狀和實驗測定的熔池形狀相吻合[3-4]。對于手工電弧焊形成的焊接溫度場，橢球特征參數a、b和c可以分別表示為：

a≈1.3×WWidthb≈1.3×WDepthc≈WDepth

式中，WDepth為焊縫深度；WWidth為焊縫寬度。

2)熱源的校核 焊接熱源的校核是十分重要的一步，是仿真模擬的重點，通過不斷的反復試驗查看，得到理想的焊縫時的參數。經模擬，得如圖4所示熱源。此時焊縫成形合理，未出現焊接缺陷。

1.4焊接參數的定義

焊接功率為1200kW，焊接方法選擇手工電弧焊，板材兩端選擇剛性約束。

2 結果與分析

2.1溫度場

焊接開始時, 隨著熱源的移動，焊縫及其熱影響區升溫很快，在極短時間內即可達到材料的熔化溫度以上，熱源移動過后又立即降溫。圖5為焊接進行7s后的的溫度場分布云圖，可以看出，圍繞焊縫中心溫度場對稱分布，焊縫中心處溫度最高，向2側逐漸遞減，冷卻速度較快。

圖4 熱源模擬圖

圖5 焊接7s后溫度場分布云圖

2.2應力場

圖6所示為焊接后400s的殘余應力分布云圖，可以看出，焊接殘余應力分布區域有限，主要存在于焊縫區及熱影響區，而其他部位基本沒有殘余應力。殘余應力沿焊縫呈對稱分布。由圖6(a)可以看出，焊接殘余應力最大值出現在焊縫與基體材料交界處，即熔合線附近。由圖6(b)可以看出，殘余應力最大值不是出現在板材的中心部位，而是出現在偏向板材背面一側的部位。

圖6 焊接后400s的殘余應力分布云圖

3 結 論

1)模擬手工電弧焊可以采用雙橢球形熱源。

2)16MnR窄間隙焊接殘余應力主要集中在焊縫與熱影響區的交界處，且最大殘余應力出現在偏向板材背面一側的部位。

[1]薛小龍，王志亮，桑芝富，等.壓力管道在線焊接數值模擬 [J].機械強度，2007(1)：118-123.

[2] 武傳松.焊接熱過程與熔池形態 [M].北京：機械工業出版社，2007.

[3] 朱平. 焊趾TIG熔修后激冷處理對接頭殘余應力及疲勞強度的影響 [D].大連：大連交通大學，2011.

[4]孫文婷，萬正權.對接殘余應力的有限元分析 [J].船舶力學，2007(1)：94-101.

[編輯] 洪云飛

TG404

A

1673-1409(2012)05-N161-03

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.05.053

2012-02-24

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2011BAB05B02)。

張錦洲(1976-)，男，1998年大學畢業，講師，博士生，現主要從事材料加工方面的教學與研究工作。