錐柱耐壓殼高強度鋼典型焊接接頭殘余應力研究

李良碧，張沛心，朱德欽

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江212003)

0 引 言

現代大型水下耐壓結構是開發海洋資源不可或缺的工具之一。耐壓結構在設計制作過程中通常會遇到直徑大小不同的耐壓結構之間的過渡問題，錐柱耐壓殼在解決此類問題時被廣泛采用［1］。錐柱耐壓殼在設計過程中，為保證耐壓殼體具有足夠的強度和穩定性，在不改變其基本結構形式的前提下，必須采用高強度鋼。高強度鋼在屈服強度提高的同時，對焊接殘余應力敏感程度增加。耐壓殼在服役過程中，其內部的焊接殘余應力與所受外部載荷引起的工作應力相疊加，若材料進入屈服狀態，其塑性儲備就大幅度降低，致使錐柱耐壓殼在低應力階段就過早發生破壞，影響其使用壽命。由于錐柱耐壓殼殼體半徑通常較大，約為3 ～4 m，模型加工成本和試驗難度較高。因此，通常將錐柱耐壓殼凸角焊縫處的典型焊接接頭［2］，即易產生疲勞破壞的部位作為耐壓結構焊接殘余應力研究的重點，如圖1所示。所以本文開展錐柱耐壓殼高強度鋼典型焊接接頭殘余應力的研究非常有必要。

圖1 錐柱耐壓殼Fig.1 Cone-cylinder pressure hull

近年來，國內外相關學者對焊接接頭的殘余應力進行了研究。Lelindgren［3］采用殼單元對平板對接焊縫和薄壁管道環焊縫的殘余應力進行了研究。Shim 等［4］基于有限元法分析了厚板多層焊的焊接殘余應力，并比較了不同坡口形式對焊接殘余應力的影響。汪建華等［5］對焊接過程中的動態應力應變過程及焊后殘余應力進行了數值模擬研究。孫文婷等［6］基于Ansys 對工字型截面梁的殘余應力場進行了數值模擬研究。但由于錐柱耐壓殼高強度鋼典型焊接接頭的特殊性，針對此類焊接接頭進行殘余應力的相關研究還比較缺乏。

因此，本文通過數值模擬方法，對錐柱耐壓殼高強度鋼典型焊接接頭殘余應力的分布規律以及幾何尺寸和焊接工藝參數對殘余應力的影響做了相關研究。研究結果為后續進行焊接殘余應力對錐柱耐壓殼疲勞強度的影響研究奠定相關理論基礎，并為控制焊接殘余應力和優化焊接加工工藝提供數據支持。

1 焊接過程有限元分析基本理論

1.1 焊接溫度場

焊接過程是一種非線性高溫瞬態傳熱的過程，遵守能量守恒定律和傅里葉定理。由文獻［7］可知焊接過程的溫度控制方程為:

式中:Q 為求解域內熱源強度;T 為溫度場分布函數;ρ，C，λ，t 分別為材料的密度、比熱容、導熱率和傳熱時間，且ρ，C，λ 都是隨溫度變化的參數;X，Y，Z 為焊接件的空間坐標。

1.2 焊接應力場

焊接應力場彈塑性變形的根本原因是由于溫度場的存在，焊接殘余應力是由于焊接過程中材料在高溫下發生了塑性變形。材料在塑性狀態的應力應變關系為［7］:

式中:dσ 為應力增量;dε 為應變增量;dT 為溫度增量;D 為彈性或彈塑性矩陣;C 為由于材料性能隨溫度變化導出的向量。

2 錐柱耐壓殼高強度鋼典型焊接接頭殘余應力數值模擬

2.1 幾何模型

典型焊接接頭模型由2 塊尺寸為300 mm×300 mm×22 mm 以及1 塊尺寸為150 mm×300 mm×22 mm 的高強度鋼平板呈27°的錐角對接焊接而成(見圖2)，焊縫是尺寸為22 mm×300 mm×22 mm 的直焊縫，如圖2所示。

圖2 典型焊接接頭模型及尺寸Fig.2 Typical welded joint model and dimension

2.2 有限元模型

采用有限元分析軟件Ansys 建立典型焊接接頭殘余應力的有限元模型，由于焊接接頭的焊縫處為研究的重點部位，所以在網格劃分時細分了所研究焊縫處的單元。

為方便表示，將模型所研究焊縫的兩面分別定義為凹面和凸面，分別代表錐柱耐壓殼凸錐焊縫的內表面和外表面。由于軸向即垂直焊縫方向的殘余應力是影響疲勞壽命的主要應力，并且高強度鋼厚板多層焊一般在靠近表面的焊道殘余應力會較大［8］。因此，本文將軸向定義為X 方向，重點研究凹面和凸面X 方向的焊接殘余應力σx。有限元模型如圖3所示。

圖3 典型焊接接頭殘余應力模型Fig.3 Residual stress model of the typical welded joint

2.3 材料屬性

典型焊接接頭的材料選用某高強度鋼，其熱物理性能參數和力學性能參數均與溫度有關，高強度鋼在典型溫度下的性能參數，如表1和表2所示，對未知溫度范圍內的性能參數采用插值法確定，在模擬時假設焊縫的熱物理參數與母材部分一致。

表1 某高強度鋼的物理特性Tab.1 The material properties of a high tensile strength steel

表2 某高強度鋼應力應變特性Tab.2 The relationship between stresses and strains of the high tensile strength steel

2.4 焊接工藝參數

典型焊接接頭初始溫度和環境溫度均為25℃;焊喉溫度為1 300℃;焊接速度為125 mm/min;對流放熱系數62.5 W/m2·℃。

2.5 數值模擬結果

本文焊接熱源采用生死單元模型，基于熱－彈塑性理論，采用Ansys 的APDL 語言編制焊接殘余應力的數值模擬程序，用間接法模擬典型焊接接頭的殘余應力。典型焊接接頭模型充分冷卻后軸向的焊接殘余應力σx的分布規律如圖4所示。

從圖4 可看出:σx在焊縫附近區域較大。典型焊接接頭凹面焊接殘余應力σax在焊縫附近主要為焊接殘余拉應力，且呈雙峰形狀分布，2 個峰值出現在焊趾附近熱影響區，但由于模型結構形狀的變化，兩側峰值的大小并不相同，焊接殘余拉應力最大值σtmax為248.81 MPa。凸面焊接殘余應力σtx在焊縫附近主要為焊接殘余壓應力，且呈單峰形狀分布，焊接殘余壓應力最大值σcmax為392.16 MPa。隨著距焊縫中心距離的增加，σax和σtx的應力水平將迅速降低。

圖4 σx 分布曲線Fig.4 Distributed curve of σx

3 幾何尺寸對典型焊接接頭殘余應力的影響

因為焊接接頭幾何尺寸的不同會對其焊接殘余應力產生一定影響，從而影響錐柱耐壓殼熱點應力部位的結構形式。因此，本文在圖3 模型的基礎上，選取不同板厚、板寬、錐角3 種方案分別對典型焊接接頭的σx進行數值模擬分析(見表3)。

2013年全省征收水資源費總額達到14.73億元。根據國家要求，2013年啟動了調整水資源費標準工作，擬于2014年調整水資源費征收標準，達到國家提出的最低征收標準。

表3 各方案參數Tab.3 Parameters of different projects

3.1 數值模擬結果

3.1.1 板厚對焊接殘余應力的影響

圖5和表4 分別表示不同板厚時的σx分布規律及σx的最大值σxmax。從中可以看出，不同板厚下，典型焊接接頭凹面σax和凸面σtx的分布規律基本不變，主要表現為:凹面σax在焊縫附近呈雙峰曲線，凸面σtx呈單峰曲線，σtmax和σcmax均仍出現在焊趾附近的熱影響區。板厚對凹面σax的應力水平影響較大，對凸面σtx的應力水平影響較小;隨著板厚的增加，凹面σtmax隨之增大，而凸面σcmax相對凹面而言則變化較小。

圖5 方案1 不同板厚時的σxFig.5 σx of different plate thicknesses

表4 不同板厚時的σ xmaxTab.4 σ xmaxof different thicknesses

3.1.2 板寬對焊接殘余應力的影響

圖6和表5 分別表示不同板寬時的σx分布規律及σxmax。從中可以看出，在其余參數相同而改變板寬時，典型焊接接頭σax和σtx的分布規律和應力水平都發生了一定程度的變化:隨著板寬的增加，凹面焊縫附近的σax逐漸由單峰分布轉換為雙峰分布且σtmax隨之減小;凸面焊縫附近的σtx逐漸從雙峰分布轉換為單峰分布且σcmax隨之增大。在凹面，板寬較大時，σtmax出現在焊趾附近的熱影響區;隨著板寬的減小，σtmax由熱影響區逐漸過渡到焊縫中心。而在凸面，σcmax始終出現在焊趾附近。

圖6 方案2 不同板寬時的σxFig.6 σx of different plate widths

表5 不同板寬的σ xmaxTab.5 σ xmaxof different widths

3.1.3 錐角對焊接殘余應力的影響

圖7和表6 分別表示不同錐角時的σx分布規律及σxmax。從中可以看出，當錐角發生改變時，典型焊接接頭σax和σtx的分布規律基本不變，但其應力水平均發生了一定程度的變化。隨著錐角角度的增大，凹面的σtmax隨之減小，而凸面的σcmax隨之增大。對比曲線的變化幅度可以看出:錐角越小，凹面σax的雙峰值差異越小，這是因為錐角的減小使其焊接特性有向平板對接焊接近的趨勢。

圖7 方案3 不同錐角時的σxFig.7 σx of different cone angles

表6 不同錐角的σ xmaxTab.6 σ xmaxof different cone angles

3.2 結果分析

改變錐柱耐壓殼典型焊接接頭的幾何尺寸會對σx產生較大的影響。由于在實際焊接結構中，一般認為焊接殘余拉應力會加速裂紋擴展，從而引起結構的失效斷裂。因此，從減小拉應力的角度看，在保證鋼板強度的前提下，可以適當增加板寬和錐角、減小板厚。對于此類型的焊接接頭，隨著幾何尺寸的變化，焊接殘余應力的變化具有一定規律性(逐漸增加或逐漸減小)。因此，對于未知尺寸下的焊接殘余應力可以在已有研究的基礎上進行估計。

4 焊接工藝參數對焊接殘余應力的影響

焊接殘余應力的大小與焊接工藝直接相關。因此，本文在圖3 模型焊接工藝參數的基礎上選取不同焊接速度、焊吼溫度2 種方案分別研究焊接工藝參數對軸向焊接殘余應力σx的影響，如表7所示。

表7 各方案的參數Tab.7 Parameters of different projects

4.1 數值模擬結果

4.1.1 焊接速度對焊接殘余應力的影響

圖8和表8 分別表示不同焊接速度的σx分布規律及σx的最大值σxmax。從中可以看出，焊接速度對凹面殘余應力σax和凸面殘余應力σtx的分布規律及應力水平影響均較小。不同焊接速度下，σax和σtx僅有微小差異。

圖8 方案4 不同焊接速度時的σxFig.8 σx of different welding speeds

表8 不同焊接速度的σ xmaxTab.8 σ xmax of different welding speeds

4.1.2 焊喉溫度對焊接殘余應力的影響

圖9和表9 分別表示不同焊喉溫度的σx分布規律及σxmax。從中可以看出:焊喉溫度對凹面σax的分布規律影響較小，但對其應力水平影響較大;隨著焊焊喉溫度的增加，凹面焊縫附近σax波動逐漸緩和，且凹面殘余拉應力最大值σtmax逐漸增大。相對凹面，焊喉溫度對凸面σtx的影響則較小。

圖9 方案5 不同焊喉溫度時的σxFig.9 σx of different welding temperatures

表9 不同焊喉溫度的σ xmaxTab.9 σ xmaxof different welding temperatures

4.2 結果分析

對于圖3 典型焊接接頭模型，焊接速度的改變對凹面σax和凸面σtx的影響均較小，而焊喉溫度的改變對σax的影響較σtx的影響大。因此，在實際焊接過程中可適當提高焊接速度，從而提高焊接效率。在選擇焊喉溫度時，易選擇較小者，保證焊接過程產生的軸向殘余應力σx不致過大而影響結構的疲勞強度。

5 結 語

1)耐壓結構典型焊接接頭軸向焊接殘余應力在凹面主要為焊接殘余拉應力，凸面主要為焊接殘余壓應力;凹面焊縫中心及焊趾附近熱影響區是殘余拉應力最大值易出現的位置，此處殘余拉應力波動較大，應作為疲勞強度研究的重點區域。凸面焊趾附近是殘余壓應力最大值易出現位置。

2)板厚的改變對殘余拉應力影響較大，而對殘余壓應力影響較小;錐角和板寬對殘余拉、壓應力影響均較大;板寬變化較大時，不僅對殘余拉、壓應力的應力水平產生影響，還會使其分布規律發生變化。適當增加板寬和錐角、減小板厚可減小焊接殘余拉應力。

3)焊接速度對殘余拉、壓應力影響均較小。焊喉溫度對殘余壓應力影響較小，對殘余拉應力影響較大。在實際焊接過程中，從殘余應力的角度看，可適當提高焊接速度，從而提高焊接效率。適當減小焊喉溫度，可減小焊接殘余拉應力。

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