AH36船用高強鋼焊接殘余應力釋放的數值模擬與試驗分析

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(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；2.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

海洋結構物焊接區域及區域周邊會產生焊接殘余應力，殘余應力在循環載荷作用下會產生釋放現象[1-2]，焊接殘余應力釋放受到很多因素影響：殘余應力的初始值、載荷形式、加載幅度、循環次數和材料特性等因素的影響[3-11]。本文采用有限元計算和試驗相結合的方法分析對接焊殘余應力及其釋放，計算出焊接殘余應力分布及其在0.8σs循環拉伸載荷作用下的釋放情況，與試驗結果對比驗證有限元計算方法的有效性。討論了不同載荷大小的殘余應力釋放，將最大拉應力作為主要影響參數得出了AH36鋼對接焊平板殘余應力釋放計算公式，用于快速預報不同拉伸載荷下的殘余應力釋放。

1 焊接殘余應力有限元計算

1.1 溫度場計算

以一對接平板CO2氣體保護焊為例，板的材料為AH36船用高強鋼，V形坡口，見圖1和表1。根據船廠AH36鋼焊接工藝，焊道有效厚度保持3 mm左右，工人在焊接時正面依次焊3道，隨后從反面(即V形坡口底部)清根處理后再焊接1道，整個焊接過程共計4道焊層。

寬度a107 mm長度b130 mm厚度c9 mm坡角θ30°

采用有限元軟件ABAQUS,選用三維8節點實體單元建立結構有限元模型。在焊縫區域，采用生死單元法先將單元“殺死”(即將其剛度矩陣乘以一個很小的因子，其默認值為1.0×10-6)，然后將“殺死”的單元依次“激活”(即給激活的單元施加生熱率)，模擬焊縫的成型過程。采用FORTRAN語言編制雙橢球熱源模型嵌入到ABAQUS軟件中實現焊接模擬計算時熱源的輸入。將焊接試驗中記錄的焊接電流和電壓作為數值計算的參數輸入，見表2。初始溫度取25 ℃。為模擬焊接過程中金屬與周圍介質的對流換熱，在模型表面施加隨時間變化的對流載荷，并設置初始對流換熱系數為50 W(m2·℃)。

表2 薄板試件CO2氣體保護焊接相關參數

三維瞬態溫度場控制方程為

(1)

式中：c為比熱容;ρ為材料密度;k為導熱系數;Q為內熱源強度;θ為溫度;t為時間。AH36高強鋼隨溫度變化的熱物理和力學性能[12]見圖2。

圖2 AH36鋼隨溫度變化的材料性能

焊接溫度場計算中設置每一層焊接結束之后冷卻60 s，再進行下一層焊接。

1.2 焊接殘余應力及其釋放有限元計算

焊接試驗的施工現場情況是試件兩邊采用楔形塊壓緊固定。該約束方式限制了試件的垂直于板面方向位移，水平方向的位移則主要靠楔形塊與試件之間的靜摩擦力來約束。水平方向的約束既不是自由趨近，也不是剛性固定，所以有限元計算時邊界條件采用水平方向施加彈簧約束。

研究焊接殘余應力隨著循環載荷加載次數變化規律，需要確定材料循環塑性本構模型，包括屈服表面、流動準則以及硬化準則。非線性硬化準則包括非線性隨動硬化準則和等向硬化準則。

(2)

表3 非線性隨動硬化模型參數與溫度關系

表4 等向硬化模型參數與溫度的關系

等向強化準則將屈服面半徑的變化隨著等效應力σ0的變化定義為塑性應變的函數。

(3)

為研究焊接殘余應力分布情況，選擇3條路徑分析焊接殘余應力分布情況，具體路徑見圖3。

圖3 焊接殘余應力路徑選擇

2 試驗

2.1 試驗過程

使用微機控制電子萬能試驗機系統對試件在室溫進行循環載荷加載。應力幅選擇0.8σs進行加載，加載循環次數N依次為3次、6次和20次；使用PROTO公司生產的iXRD型殘余應力儀測量初始焊接殘余應力，每一階段循環載荷加載完畢，均重新測量選定點的焊接殘余應力。

2.2 與有限元計算結果對比

通過有限元法計算焊接殘余應力釋放，試驗數據選擇路徑1距離焊縫中心距離12 mm(A點)、23 mm(B點)、37 mm(C點)、54 mm(D點)和75 mm(E點)5個點，結果對比見圖4。

圖4 沿著路徑1焊接殘余數值計算與試驗對比

由圖4可見，路徑1橫向焊接殘余應力在12 mm附近達到峰值190 MPa，接著焊接殘余應力隨著距離焊縫中心距離增加由焊接拉應力逐漸變為焊接壓應力，逐漸降為0；路徑1縱向焊接殘余應力在焊縫位置處殘余應力值最大，為270 MPa，隨著距離焊縫中心距離增加逐漸由拉應力變為壓應力，達到壓應力峰值后又趨近于0。

橫向和縱向焊接殘余應力隨著加載循環拉伸載荷，焊接殘余應力出現明顯釋放，第一階段循環加載3次，焊接殘余應力釋放最大，以距離焊縫中心12 mm處的橫向焊接殘余應力為例，焊接殘余應力由初始的190 MPa下降至36 MPa，釋放率達到81%。隨后第二階段和第三階段的循環加載，焊接殘余應力變化不明顯。這主要是由于加載的循環載荷較大，前面6次拉伸循環作用下焊接殘余應力基本釋放結束。

圖4中的試驗數據與有限元計算數據對比表明本文預測焊接殘余應力及其釋放的有限元計算方法是有效的。

3 載荷大小對殘余應力釋放的影響

3.1 不同載荷水平殘余應力釋放有限元計算

選擇3種加載載荷，分別為100、15以及200 MPa，應力比R=0.1，加載頻率為1 Hz，循環加載1、2、5、10、20、30、40和50次。

為定量分析，選取2個考察點，分別是路徑一距離焊縫中心距離12 mm處(A點)以及厚度方向距離焊縫表面6.5 mm處(F點)，結果見圖5。

圖5 表面和內部2點焊接殘余應力釋放情況

由圖5可見，在循環載荷作用下的表面和內部，橫向和縱向焊接殘余應力都會出現釋放情況。第一次循環釋放量約占總釋放量的90%；內部點橫向焊接殘余應力類似于表面點，縱向焊接殘余應力類似于橫向焊接殘余應力釋放規律。拉伸載荷越大，焊接殘余應力釋放越多；循環次數越多，焊接殘余應力釋放越多，見表5。

表5 A點焊接殘余應力釋放情況

初始殘余應力188 MPa。

3.2 焊接殘余應力釋放計算公式

參照文獻[11]，焊接殘余應力釋放與4個參數有關，即初始應力水平σ0，屈服應力σs，應力幅σa以及循環次數N。定義應力衰減率函數為

(4)

式中：σN為循環N次后的焊接殘余應力，焊接殘余應力變化為0時候，S變化范圍也是從0到1。S為初始應力水平σ0，屈服應力σs、應力幅σa以及循環次數N的函數。

S=f(σa,σs,N)

(5)

由圖5可見，焊接殘余應力釋放情況同循環次數滿足對數函數特征，S可以表達為

S=f(σa,σs,N)=g(σa,σs)·[ln(N+1)m]

(6)

式中：m為材料常數。

同時，由于施加載荷及材料屈服強度對于焊接殘余應力釋放影響較大。還可以發現焊接殘余應力釋放特性類似于蠕變，因為其演變都是隨著循環數以及加載變化。根據Norton方程，即

(7)

從試驗數據圖4和有限元計算結果表5可見，加載最大載荷對于焊接殘余應力釋放影響較大。因此，將式(7)中的應力幅σa變換為最大加載載荷σmax，于是有：

(8)

式中：a，b和n都是常數，通過參數擬合確定。將式(8)代入式(6)，得到

(9)

為了檢驗式(9)的預測精度，運用拉伸載荷100 MPa時殘余應力釋放的有限元計算結果擬合確定參數，用拉伸載荷為150 MPa和200 MPa時殘余應力釋放有限元計算結果對比驗證式(9)的計算精度。對試件表面，運用A點的在拉伸載荷100 MPa作用下的有限元計算結果進行參數擬合，得到橫向焊接殘余應力衰減率(STD)及縱向焊接殘余應力衰減率(SLD)計算公式。

(10)

(11)

對比式(10)和式(11)與有限元計算結果對比見圖6，可以看出吻合較好。

圖6 表面A點焊接殘余應力公式計算 結果與有限元計算結果對比

對試件內部，對F點在拉伸載荷100 MP作用下的有限元計算結果進行參數擬合，得到橫向焊接殘余應力衰減率(STD)及縱向焊接殘余應力衰減率(SLD)計算。

(12)

(13)

焊接殘余應力式(12)和式(13)計算結果與有限元計算結果對比見圖7。可以看出，吻合較好。

圖7 內部F點焊接殘余應力公式計算結果與有限元計算結果對比

為進一步測試殘余應力計算式(10)和式(11)的精度，選取A～E共5個不同測點的試驗數據對比，見圖8。

圖8 路徑1焊接殘余應力公式計算結果與試驗結果對比

由圖8可見，試驗測點的焊接殘余應力釋放計算公式結果與試驗結果比較吻合，說明焊接殘余應力釋放計算公式有較好的適應性。

由于試驗只測量了試件表面的焊接殘余應力，為了進一步驗證深度方向上焊接殘余應力計算式(12)和式(13)準確性，重新在試件內部(距離表面5 m)及試件表面選取2個點，采用有限元計算結果與之對比驗證見圖9～10。2種方法結果吻合度較好，說明試件內部焊接殘余應力計算式(12)和式(13)也具有較好的精度。

圖9 表面點焊接殘余應力公式計算結果與有限元計算結果對比

圖10 內部點焊接殘余應力公式計算結果與有限元計算結果對比

4 結論

1)本文提出的焊接殘余應力釋放計算公式可用于AH36對接焊平板在不同載荷水平和不同循環次數下的殘余應力衰減率計算。

2)焊接殘余應力在加載初期釋放迅速，3種不同水平載荷下的計算表明，在不超過材料屈服強度σs前提下，載荷越大，焊接殘余應力釋放越多。

3)焊接殘余應力在外載荷的后續循環作用時釋放量顯著變小，第一次循環殘余應力的釋放量占循環50次后殘余應力釋放總量的90%，因此，可以近似認為在50次載荷循環后焊接殘余應力不再釋放。該結論可為考慮焊接殘余應力釋放的疲勞分析提供簡化計算的依據。