焊接熱輸入對殘余應力影響的盲孔法測試與數值分析

何雄君, 宋 淵 ,肖 祥, 王進軍

(1.武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063；2.中交二航局六公司，湖北 武漢 430014)

0 引 言

目前世界上已經建成了很多斜拉橋，斜拉橋可以有各種各樣的形式，但主體都為3個部分：塔柱、斜拉索、主梁[1]。錨拉板作為連接主梁與斜拉索的裝置，在斜拉橋運營階段起著至關重要的作用。筆者以西固大橋為背景，探究西固大橋錨拉板焊接殘余應力與焊接熱輸入的關系。錨拉板由鋼材焊接而成，其主要的焊接形式為T型構件多道焊焊接，因此，T型構件多道焊焊接是錨拉板焊接中需要著重考慮的關鍵技術之一。焊接是鋼材之間結合時金屬材料迅速升溫隨即又迅速降溫的過程，焊接后不可避免地會在焊縫及焊接熱影響區產生焊接殘余應力。焊接殘余應力的存在會使錨拉板產生一定的變形，對后期安裝的精度產生影響；焊接殘余應力還會影響錨拉板的承載能力與疲勞強度[2]。而錨拉板T型構件多道焊中，焊接熱輸入是一個對焊接殘余應力影響較大的因素。

目前，在錨拉板T型構件多道焊中關于焊接熱輸入沒有一個明確的界定，基本是工人自身的工作經驗確定。而焊接熱輸入對焊接殘余應力會產生很大的影響，因此，若能掌握焊接熱輸入對錨拉板T型構件多道焊焊接殘余應力的影響，對于斜拉橋的建設顯得尤為重要。

利用ANSYS軟件的數值模擬方法測量焊接殘余應力具有成本低、勞動量小的優點，已有很多學者運用該方法對焊接殘余應力進行了仿真模擬，但大部分是針對單道焊縫焊接殘余應力的數值模擬[3]。然而實際錨拉板T型構件是分道焊接而成，由于分道焊接時，后面焊層會對前面已經施焊焊層產生熱影響，該影響又是不確定的，故多道焊縫比單道焊縫焊接殘余應力分布要復雜得多。運用ANSYS軟件揭示多道焊焊接而成的錨拉板T型構件焊接殘余應力與焊接熱輸入之間的關系，指導斜拉橋錨拉板焊接工藝，將具有很大的工程意義。

1 有限元模型

1.1 模型的建立

筆者以西固大橋為背景，斜拉橋錨拉板的體積較大，運用有限元分析軟件ANSYS模擬整個錨拉板的焊接對計算機的硬件要求很高，也需要很長的計算時間[4]。因為錨拉板的主要焊接形式為T型焊接，為了能較好的反應錨拉板的焊接殘余應力也避免對計算機硬件過高的要求，可以將錨拉板焊接的仿真分析轉化為T型構件焊接的仿真分析。

T型構件的尺寸為：水平板400 mm×400 mm×36 mm，豎向板400 mm×400 mm×40 mm，模型主要采用8節點6面體單元，有少量的6節點5面體單元。運用ANSYS軟件中的網格劃分命令對T型焊接構件進行網格劃分，在不影響計算結果的前提下可以對網格劃分進行優化，同時可以減少計算時間。 T型構件可以分為3個區域：焊縫區、靠近焊接區、遠離焊縫區。由于熱源對3個區域的影響作用依次減弱，故3個區域的網格密度也相應地減小。劃分后的模型共有6 189個節點，13 851個單元，如圖1。

圖1 典型T型構件ANSYS模型Fig. 1 ANSYS model of typical T-type component

1.2 溫度場

焊接是金屬材料局部迅速升溫，隨即又迅速降溫的過程。在焊接過程中隨著熱源的移動，焊接構件的溫度會由于時間和空間的不同而發生劇烈的變化，構件的某些部位還會有受熱屈曲的現象。焊接過程中金屬的材料特性會發生變化，因此焊接過程中溫度場的分析是典型的非線性瞬態熱傳導問題，有限元中三維瞬態熱傳導問題的控制方程為[5]

(1)

式中：λ為金屬的導熱系數；T為溫度；x,y,z分別為T型構件中垂直于焊縫方向、沿焊縫的方向和豎向板的方向；Q為熱源大小；ρ為金屬材料的密度；c為比熱容；t為焊接至金屬冷卻的時間。

導熱過程中通常運用以下3類邊界條件[6]。

第1類為溫度邊界條件，表達式為

Ts=Ts(x,y,z,t)

(2)

第2類為熱流邊界條件，表達式為

(3)

第3類為對流換熱邊界條件，表達式為

(4)

1.3 熱源的選擇

西固大橋錨拉板的焊接形式為手工電弧焊，故選用高斯分布的熱源來進行模擬實際熱源，高斯熱源的分布函數為[7]

(5)

式中：R為電弧有效加熱半徑；r為焊件上任意點至電弧中心的距離；η為焊接熱效率；U為焊接時的電壓；I為焊接時的電流。

運用ANSYS軟件模擬一條焊縫的5道焊，即完整的一條焊縫是分5道焊接而成的，采用生死單元法來實現該過程，模型建立時將T型構件以及5道焊縫全部建立起來。然后賦予第1道焊縫焊接材料并施加熱源，其余道焊縫則不賦予材料，不起焊縫的作用；當賦予第2道焊縫材料并施加熱源時則第3道及后面的焊縫也不起焊縫的作用。按照此方法依次完成對5道焊縫和熱源的施加，即完成了一條完整的焊縫，實現5道焊的焊接工藝。

2 有限元及實際測量結果分析

2.1 有限元分析

筆者以T型構件焊接為例(每條焊縫為5道焊)，研究焊接熱輸入對多道焊焊接殘余應力的影響。焊接中選用的材料為Q370qE橋梁鋼，在焊接中，母材的相關參數會由于溫度的變化發生一定的變化，運用ANSYS模擬的母材參數變化如表1。

表1 母材參數Table 1 Base material parameter

多道焊的焊接順序如圖2，圖中①、②表示兩條焊縫，每條焊縫有5道，焊縫為從內到外依次施焊。

圖2 焊接順序Fig. 2 Welding sequence

實際上，隨著焊接的進行，金屬材料的應力應變有一個復雜的變化過程。筆者首先將焊絲中輸入的熱量轉換為金屬材料的溫度場，再將溫度場轉換為應力場，最后利用在有限元模型中設置的節點提取該節點的焊接殘余應力。

2.2 焊接殘余應力的測量

對焊接殘余應力的測量已存在多種測量方法[8]，總體可以分為機械測量方法和物理測量方法。機械測量方法主要有截條法、剝層法、盲孔法等。機械測量方法的原理是對結構進行破壞性試驗，結構的應變會有相應的變化，通過檢測這些變化即可求得殘余應力的大小。機械測量方法的優點是測量結果較為精確，缺點是會對構件產生一定的損傷。物理測量方法[9]主要有X射線法、超聲波法、磁測法等，物理測量方法的原理是結構受力會影響結構的某些物理性能。而這些物理性能的改變可以由一定的參數變化反應出來，通過測量這些參數變化經過換算就可得到結構的受力情況[10]。物理測量方法的優點是不會對構件有損害，但缺點是測量結果與構件實際的受力狀況會有一定的偏差。

為保證試驗的質量，筆者運用對被測構件損傷較小且測量精度較高的盲孔法[11]來測量構件的焊接殘余應力。盲孔法的測量原理是在構件的表面粘貼應變花，然后在相應的位置鉆取一定孔徑的圓孔，此時構件內部的殘余應力會因為鉆孔而發生變化進而有相應應變的變化。應變花會識別應變的變化，有了應變，利用彈塑性力學等相關理論即可算得該殘余應力的大小。實際中的焊接構件及測量中測點布置如圖3。

圖3 焊接實物及測點布置Fig. 3 Welding object and measuring points layout

2.3 實測結果與軟件計算結果對比

實際焊接中運用的相關工藝參數如表2。

表2 焊接參數Table 2 Welding parameters

采用實際中的焊接工藝，運用盲孔法測得的沿焊縫方向的橫、縱殘余應力與運用ANSYS模擬實際焊接中調取的沿焊縫方向的橫、縱向應力的比較如圖4。

圖4 焊接殘余應力實測與數值模擬對比Fig. 4 Comparison of welding residual stress measurement and numerical simulation

從圖4中可以得到，用軟件計算的結果與盲孔法實測的結果雖然有一定的偏差，但總體比較吻合，焊接殘余應力的趨勢一致，從而說明了運用ANSYS軟件模擬該焊接工藝進行殘余應力檢測的可行性。圖4(a)顯示，沿著焊縫方向的橫向殘余應力主要為壓應力，拉應力的范圍比較小，橫向殘余應力基本以焊縫中間成對稱布置，拉應力的最大值出現在距焊縫起點約50 mm處，拉應力的大小約為4 MPa；圖4(b)顯示，沿焊縫方向的縱向殘余應力在起弧、收弧的地方表現為壓應力，其余地方表現為拉應力，拉應力的最大值約在焊縫中間出現，大約為135 MPa，縱向殘余應力也基本以焊縫中間呈對稱布置。圖4的結果還可以得到，焊接材料的縱向殘余應力要大于橫向殘余應力。

3 焊接熱輸入對焊接殘余應力影響

第2節中實測結果與軟件分析結果比較吻合，說明用ANSYS軟件模擬該焊接工藝進行殘余應力檢測的可行性。筆者將實際中的焊接熱輸入做上下調動，即形成了其余參數不變，焊接熱輸入分別為1 226、1 716 、2 860 J/mm的3組試驗，3組試驗編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，焊縫熱輸入分組如表3。

表3 焊縫熱輸入分組Table 3 Group of welding heat input

運用ANSYS軟件對上述3組試驗進行仿真分析，下面提取3組試驗沿焊縫方向的橫、縱向殘余應力的結果進行對比分析來說明焊接熱輸入對焊接殘余應力的影響。運用ANSYS模擬的3組不同熱輸入的應力云圖如圖5，沿焊縫方向的橫、縱向殘余應力的對比如圖6。

圖5 不同焊接熱輸入的殘余應力云圖Fig. 5 Residual stress nephogram with different welding heat input

圖6 不同焊接熱輸入下數值模擬結果對比Fig. 6 Comparison of numerical simulation results with different welding heat input

由圖6(a)可知，當焊接熱輸入增加時，沿焊縫方向的橫向殘余應力中的拉應力區域會變小，橫向殘余應力有向壓應力轉化的趨勢。在焊縫的起、收弧處的橫向殘余應力變化很小，原因可能是在焊縫起、收弧處焊接材料有自由面，熱量可以與外界交換，故其受焊接熱輸入的影響不明顯。當焊接熱輸入增加時，橫向殘余應力有減小的趨勢，總體來說，焊接熱輸入對沿焊縫方向的橫向殘余應力影響較小。由圖6(b)可知，縱向焊接殘余應力峰值基本處于焊縫的中間，隨著焊接熱輸入的增加，縱向焊接殘余應力的峰值在增大。當焊接熱輸入由1 226 J/mm增加到1 716 J/mm時，縱向焊接殘余應力最大值增加了約22 MPa；焊接熱輸入由1 716 J/mm增加到2 860 J/mm時，縱向焊接殘余應力最大值增加了約8 MPa，故縱向焊接殘余隨著焊接熱輸入的增加會增大，但應力增大的幅度會變小。

4 結 論

通過對T型構件焊接情況的數值模擬與實際盲孔測試法的比較以及對不同焊接熱輸入下T型構件多道焊的焊接情況進行數值模擬，經過比較、分析，可得到如下的結論：

1)運用ANSYS軟件對焊接構件進行數值模擬得到的焊接殘余應力值與測量精度較高的盲孔法測量殘余應力值相符，說明了運用此軟件模擬該焊接工藝的可行性，這可以節省很大的財力與物力。

2)焊接構件起、收弧與外界接觸處的有效殘余應力小于其余區域的有效殘余應力，說明焊接的邊界對焊接的結果會有一定的影響。

3)焊接熱輸入對焊縫方向橫向殘余應力的影響較小，對縱向殘余應力的影響較大；隨著焊接熱輸入的增加縱向殘余應力會增大，橫向殘余應力會減小，但應力變化的幅度會減小。

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