異種鋼管接頭焊接殘余應力有限元數值模擬現狀及發展

張贏

【摘 要】 在焊接結構中，為了發揮材料的最佳性能，往往需要采用異種鋼焊接接頭，而異種鋼焊接接頭在長期使用過程中，發生了許多事故，迫使國內外的學者從各個方面不同角度研究異種鋼焊接接頭失效的原因。本文主要結合焊接殘余應力對異種鋼管接頭焊接結構的影響及研究焊接殘余應力的必要性，論述了管接頭焊接殘余應力有限元數值模擬的現狀及發展。

【關鍵詞】 異種鋼管接頭 焊接殘余應力 數值模擬

在焊接結構中，為了發揮材料的最佳使用性能往往需要采用異種鋼焊接接頭，如電站、石油化工工業的結構中，經常將奧氏體不銹鋼與珠光體耐熱鋼或其它鐵素材料焊接在一起，有時由于生產條件的限制采用奧氏體焊條焊接淬硬傾向較高的高強鋼，以便在沒有預熱的條件下防止接頭產生冷裂紋。這兩種形式的奧氏體/鐵素體異種鋼焊接接頭至少存在一個成分和組織相差較大的熔合界面，有于界面兩側材料的物理性能不匹配，熱膨脹系數、導熱系數存在明顯差異，因而將在界面區域內（熔合區）產生較大的熱應力，并且熔合區內存在一層馬氏體組織[1]，如果接頭在交變溫度下工作，熱應力可能會導致接頭的早期開裂[2]。同時，異種鋼焊接接頭由于材料的熱膨脹特性不同而在焊縫附近引起很大的熱應力；碳可能從鐵素體的一側遷移到奧氏體的一側，從而在鐵素體的一側出現局部薄弱區域[3]。

異種鋼焊接接頭在長期使用過程中發生過許多次破壞事故，迫使國內外許多專家、學者從各個方面以不同角度去研究異種鋼焊接頭破壞原因。美國、日本等國的學者們在金相分析、彈塑性應力分析及疲勞等方面進行了數值計算和實驗研究工作。國內在此方面也有一些研究。但是對異種鋼接頭在焊接過程中所產生殘余應力的研究比較少見，而這種焊接殘余應力的存在對異種鋼接頭強度的影響是不能忽視的。

1 焊接殘余應力對焊接結構的影響

在沒有外力作用下，焊件中焊接殘余應力為自身相互平衡分布的內應力場，我們常常稱為焊接殘余應力場[4]。在焊接過程中，焊接區以遠高于周圍區域的速度被急劇加熱，并局部熔化。焊接區材料受熱而膨脹，熱膨脹受到周圍較冷區域的約束，并造成（彈性）熱應力，受熱區溫度升高后屈服極限下降，熱應力可部分超過該屈服極限。結果焊接區形成了塑性的熱壓縮，冷卻后，比周圍區域相對縮短、變窄或減小。因此，這個區域就呈現拉伸殘余應力，周圍區域則承受壓縮殘余應力。冷卻過程中的顯微組織轉變會引起體積的變化，如果這種情況發生在較低的溫度，而此時材料的屈服極限足夠高，則會導致焊接區產生壓縮殘余應力，周圍區域承受拉伸殘余應力。焊接殘余應力，是焊接工程研究領域的重點問題。

異種鋼焊接接頭的力學性能（即應力與應變）較為復雜。首先焊接接頭在焊后熱處理或高溫下運行時由于熔合區碳遷移層的存在，使得焊接接頭在經歷持續的加熱和冷卻過程中其焊接應力會不斷發生變化。這種變化所造成的拘束應力主要集中在增碳層，進而導致使用過程中焊接接頭發生斷裂。其次簡單的焊后熱處理不能徹底消除焊接殘余應力，其作用只能讓焊接應力重新進行分布。最后，奧氏體鋼和珠光體鋼的熱膨脹系數有所不同，需要在焊接時添加過渡層來進行緩解。焊后由于焊縫和熔合區附近受拉應力影響，而熱影響區中遠離焊縫邊緣的金屬受壓應力的影響（但其在更遠處又改為拉應力）。經過以往的試驗分析，焊后焊縫和熱影響區表現為拉伸應力，熔合區附近為平衡區（無應力作用）；在進行熱處理后，焊縫中仍保持拉應力，而熱影響區中則變為壓應力。

試驗表明，焊接熔合區的應力分布不僅與兩種焊接材料的熱膨脹系數和原子排列有關，還與焊接過程中金屬的凝固收縮及其固態相變有關。對于不銹鋼焊縫來說，冷卻過程中首先析出δ-Fe相的凝固結晶進而形成δ-γ的固態相變，伴隨這兩個過程都會產生相應的應力變化。與此同時，對于珠光體耐熱鋼的熱影響區來說，在焊接熱循環冷卻過程則是γ-α固態相變。這是一個體積增大的過程，會導致壓應力的產生。此外焊接過程中外加應力也會對焊接接頭的應力分布造成很大影響。

2 國內外對接管道環焊縫應力數值模擬發展動態

焊接過程中應力應變的研究工作始于二十世紀三十年代，但是研究工作只能是定性的和實測性的。五十年代，前蘇聯學者奧凱爾布洛母等人在考慮材料機械性能與溫度之間的相互依賴關系的情況下，用圖解的形式分析了焊接過程的熱彈塑性性質及其動態過程，并分析了一維條件下對焊接應力應變的影響。六十年代，由于計算機的推廣應用，對焊接應力應變的數值模擬才發展起來。

20世紀70年代初，日本大阪大學的上田幸雄教授等人首先以有限元法為基礎，提出了考慮材料力學性能與溫度有關的焊接熱彈塑性分析理論，導出了分析焊接應力應變過程的表達式。1973年，Vaidyanathan利用板殼理論，在分析平板對接過程焊接應力的基礎上，提出了薄壁管對接環焊縫殘余應力的計算方法，并將計算結果與試驗結果進行比較，結果表明，計算值與試驗合較好[5]。但該方法是作為二維應力狀態模型得到的計算公式，對于厚壁管道的三維應力狀態就不再適用了。

隨著對熱—彈塑性理論的深刻認識和有限元方法的廣泛應用，德國學者Argyis首先提出用熱彈—粘塑性組成的方程來分析焊接應力。BYY Dong建立了奧氏體不銹鋼管道環焊縫的殘余應力三維有限元模型。結果表明，近縫區內表面軸向殘余應力為拉應力，外表面為壓應力；而環向內外表面的殘余應力均為拉應力；管道壁厚對管道環焊縫殘余應力的影響顯著，薄壁管道焊后產生較小的軸向殘余應力和較大的環向殘余應力。瑞典的L Karlsson等也對薄壁管道的焊接殘余應力進行了分析，計算中還考慮了材料性能的溫度依賴性和相變膨脹的影響。到1997年，新型焊接方法的廣泛應用，L E Lindgren等用三維熱—力耦合的有限元方法模擬了大型銅罐電子束焊接接頭殘余應力，估計了由此引起的銅罐的蠕變損傷程度。T Lnoue等人研究了伴有相變的溫度變化過程中，溫度、相變和熱應力三者之間的耦合效應，并提出了在考慮耦合效應的條件下本構方程的一般形式。endprint

我國的焊接應力應變的數值模擬主要起步于20世紀70年代，首先是西安交通大學的樓志文等人把數值分析應用到焊接溫度場與熱彈塑性應力場的分析中，編制了熱彈塑性有限元分析程序并對兩個較簡單的焊接問題進行了分析。1983年，上海交通大學的陳楚等人系統地分析了熱彈塑性理論，推導出了有限元計算公式，并在此基礎上編制了相應的計算機程序[6]。近年來清華大學，天津大學等在焊接應力數值模擬都取得不錯成果。董俊慧，霍立興等人采用ADINA軟件對管接頭環焊縫的殘余應力進行了二維和三維的殘余應力有限元數值模擬[7]，結果顯示管接頭環焊縫在利用二維和三維有限元數值模擬應力分布結果基本都與實驗一致。雖然國內的焊接應力應變數值模擬起步較晚，但是發展迅速，解決了許多實際應用問題，已經成為研究焊接領域不可缺少的部分。

3 異種鋼焊接數值模擬發展趨勢

（1）異種金屬焊接接頭的組織變化情況是比較復雜，很容易形成粗大晶粒等缺陷。因此，如何改善異種金屬焊接接頭組織仍然是一個難題。在今后的研究工作中，人們可以從焊材的匹配、冷卻速度的控制和焊后熱處理等方面尋找突破口。異種金屬焊接接頭的力學性能、高溫性能和腐蝕性能等往往低于母材，并存在復雜的應力分布，其中熔合區是最薄弱環節，如何提高熔合區的綜合性能是今后異種金屬焊接研究的重點與難點。現代先進的檢測手段和日益發展的計算機模擬技術將成為主要的研究手段。

（2）目前焊接模擬有從宏觀到微觀不斷發展的趨勢：通過之前建立在溫度場、電場、應力應變場等基礎上，預測宏觀尺度變化的有限元模擬逐漸進入到以預測焊接構件的組織、結構、性能為目的的中觀尺度及微觀尺度的模擬階段。

（3）由起初解決焊接中遇到的共性通用問題發展到解決難度更大的專業性問題，包括解決工藝優化問題和特種焊接模擬，解決焊接缺陷消除等。

4 結語

已有的數值模擬研究成果已經使我們對復雜的焊接過程有了深入的了解，為解決焊接殘余應力帶來了新思路和新方法。因此，我們有理由相信，隨著人們對焊接殘余應力認識的深入和計算機技術的高度發展，焊接殘余應力數值模擬技術具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]王智慧，劉芳.用彈性有限元方法分析管狀異種鋼焊接接頭的熱應力分布[J].北京工業大學學報，1998.5，18-22.

[2]Canpbell G M Evaluation of Factors Controlling High Temperature Service Life of Crl Mo Steel to Austenitic Stainless Steel Weldments，Trends in Welding Research in United States.Proc. conf.New Odeans.1981.16-18.

[3]閔行，趙挺，王能道.異種鋼接頭焊接殘余應力分析及實驗研究[J].機械強度，1997.6.

[4]黃建民.有限元技術的發展及其在裝備制造業中的應用[J].上海電機學院學報，2010，1（3），2-9.

[5]Vaidyanathan. Residual stress due to circumferential welds.ASME Journal of Engineering；Materials and Technology.1973，73：233-239.

[6]李義.鋼結構焊接殘余應力分析[D].武漢理工大學碩士論文，2004.

[7]董俊慧，霍立興，張玉鳳.環焊縫管道焊接應力應變三維有限元分析[J].機械工程學報，2001.37（12），84-88.endprint