Q345/SUS304異種鋼焊接接頭固有應變的變化規律研究

李元泰 吳華鑫 董 斌 肖慎翀

武漢第二船舶設計研究所，武漢，430064

0 引言

為滿足高強度、耐腐蝕等復雜環境要求，大型異種鋼焊接結構開始廣泛應用[1-2]。異種鋼焊接接頭由于各自材料的熱物理性能和力學性能之間存在顯著差異，焊后變形分布相比同種材質接頭更為復雜[3]。數值模擬作為焊接領域重要的研究方法，從20世紀開始一直被學者用來預測焊接結構的殘余應力與變形。UEDA等[4]率先采用有限元法對焊接過程進行熱彈塑性計算，分析了平板對接焊、角接焊的溫度和應力分布。針對焊道長、焊縫多的大型結構，UEDA等[5]又提出了固有應變理論及計算方法來解決傳統的熱彈塑分析效率低下的問題。HUANG等[6]進行了SUS301不銹鋼板的激光焊接試驗，基于固有應變理論的彈性有限元法預測的焊接變形結果與試驗結果吻合，并且非常高效。DENG等[7]運用固有應變方法計算了船舶大型加筋板結構的焊接變形。WANG等[8-9]通過數值模擬和試驗的方法預測碳鋼、不銹鋼等結構的焊接變形，指出焊接變形的大小和分布與熱輸入、板材的厚度、材料、焊接接頭型式密切相關。王林等[10]運用熱彈塑性有限元法和固有應變法對離心葉輪風機的焊接工藝進行優化。以上大型單一金屬材料構件焊接變形的快速預測比較成熟，但目前異種鋼結構的焊接變形的研究主要基于試驗和效率相對較低的熱彈塑性分析方法[11-12]，快速預測異種鋼焊接結構的變形報道較少。

本文以Q345鋼和SUS304不銹鋼平板對接接頭和T型接頭為研究對象，基于固有應變理論，利用異種鋼焊接有限元模擬方法研究了固有應變的變化規律。

1 固有應變與焊接變形

1.1 彈性殼單元法

采用四節點殼單元模型有限元分析時，根據薄板大撓度彎曲理論，矩形薄板任意一點的應變-位移關系(忽略橫向剪切應變的影響)可描述為

(1)

(2)

(3)

平行于oxz平面的曲率kx、平行于oyz平面的曲率ky、oxy平面的扭轉曲率kxy分別為

(4)

彈性殼單元法的計算過程就是將已知的應變分量作為初始應變來計算變形的過程。

1.2 固有應變的轉化

固有應變法的基本思路是：將6個固有應變值簡化為橫向固有應變、縱向固有應變和曲率3種固有應變；通過熱彈塑性有限元法計算得到3種固有變形(橫向收縮、縱向收縮和角變形)并通過轉化得到3種固有應變，在殼單元模型中采用彈性殼單元法計算得到最終變形。

對于對接接頭和T型接頭焊接件，縱向收縮可通過收縮力FTendon[13]反映，其計算公式為

(5)

橫向收縮同樣也可以通過塑性應變積分計算，本文以對接接頭為例，采用估算公式如下：

S=UyA-UyB

(6)

式中，S為橫向收縮量；UyA、UyB分別為圖1中的線A和線B各自在橫向方向上的位移。

(a)平板對接焊的變形

角變形也可以通過下式反映：

(7)

式中，β為左右兩側的平均角變形；B為腹板的半寬；UZC、UZD為圖1的中線C和邊線D的撓度。

固有應變則可通過固有變形轉化，其計算公式如下：

(8)

(9)

(10)

同理，對于T型接頭，翼板和腹板的等效縱向固有應變可以根據COTTRELL[14]提出的分配比例計算得到，而橫向固有應變與曲率的計算方法與對接接頭的計算方法一致。

2 固有應變的變化規律分析

本文基于ABAQUS軟件，提出了Q345/SUS304對接接頭的熱彈塑性有限元法，將數值模擬計算結果轉化為固有應變數據，采用固有應變法計算最終變形結果。將熱彈塑性模擬結果、固有應變法計算結果與試驗結果進行對比，來驗證該方法的準確性。以對接接頭和T型接頭為典型焊接接頭模型，改變板厚、熱輸入條件，進行大量的數值模擬試驗來研究它們與變形結果的關系，得到固有應變的變化規律。

2.1 典型接頭的計算與驗證

研究對象為Q345/SUS304異種鋼平板對接接頭，其試件尺寸為300 mm×300 mm×10 mm，采用MIG保護焊，填充材料為Y309L焊絲。焊接條件見文獻[11]。數值模擬采用雙橢球體積熱源模型，熱源有效功率系數為0.85，散熱系數取10 W/(m2·s·K)。不考慮焊接填充材料與母材性能差異。熱彈塑性分析過程中，兩種材料隨溫度變化的熱物理、熱力學性能參數如圖2所示。

(a)熱物理性能參數

Q345/SUS304對接接頭進行熱彈塑性計算后得到的焊接變形結果為：縱向收縮力432 kN，橫向收縮量1.855 mm，角變形0.0663 rad。根據轉化式(9)～式(10)求得固有應變，見表1，應用彈性殼單元法計算典型焊接接頭的變形并與試驗結果進行比較，其中，試驗測量點位置和數值計算的測量路徑示意圖見圖3。

表1 固有應變計算結果

圖3 測量位置的分布

熱彈塑性有限元計算結果、固有應變法計算結果與沿焊接方向的板橫向收縮量分布和角變形量試驗值比較結果如圖4所示。由圖4a可知，熱彈塑性計算得到的上表面橫向收縮平均值約2.62 mm，試驗測量值約2.50 mm；熱彈塑性計算得到的下表面橫向收縮平均值約1.09 mm，試驗測量值約1.15 mm。整體對接接頭計算平均值為1.855 mm，而上下表面試驗平均值為1.825 mm，誤差為2%左右，說明對接接頭的橫向收縮變形計算結果與試驗值吻合良好。另外，固有應變法計算的橫向收縮結果為1.72 mm，相比試驗平均值，誤差為6%左右。由圖4b可以看出，熱彈塑性計算結果角變形(通過撓度Uz反映)分布趨勢與試驗測量結果一致；對于中央斷面上的最大角變形量，計算結果達到-8.1 mm左右，而試驗測量值達到-9.2 mm，誤差達12%。另外，固有應變計算最大值達到-8.0 mm，固有應變計算誤差為13%。

(a)橫向收縮分布

為了更直觀地觀察兩種數值計算的變形結果，圖5給出了厚度方向的變形云圖，可看出數值結果和固有應變法計算結果吻合較好。

圖5 厚度方向的變形云圖

2.2 典型接頭的固有應變的變化規律

本文以兩種典型的異種鋼焊接接頭，即Q345鋼與SUS304鋼對接接頭和SUS304翼板Q345鋼腹板焊接的T型接頭為例，采用Q345/SUS304熱彈塑性有限元法分別在不同焊接條件(表2)下進行數值試驗。計算得到與固有應變相關的參數即縱向收縮力、橫向收縮及角變形。

表2 焊接條件

固有變形與焊接熱輸入參數Q/h2之間存在一定的關系[9]。在表2不同板厚h、不同熱輸入條件下，計算得到了不同的熱輸入參數值Q/h2，并與固有應變相關參數即縱向收縮力FT、相對橫向收縮S/h、角變形β的關系進行分析，結果如圖6所示。

(a)縱向收縮力(對接接頭) (b)縱向收縮力(T型接頭) (c)相對橫向收縮(對接接頭)

由圖6a、圖6c、圖6e可知，對于對接接頭，在0～20 J/mm3范圍內隨Q/h2的增大，縱向收縮力和相對橫向收縮近似線性增大；而角變形隨Q/h2的增大而先增大后減小，并且分界線為Q/h2=12 J/mm3左右。由圖6b、圖6d、圖6f可知，對于T型接頭，在0～40 J/mm3范圍內隨Q/h2的增大，縱向收縮力和相對橫向收縮近似線性增大；而角變形隨Q/h2的增大而先增大后減小，并且分界線約為Q/h2=12 J/mm3。

由上述變化規律可以推導出多種板厚、熱輸入、焊接速度的Q345/SUS304異種鋼典型焊接接頭的固有變形數據，并建立異種鋼典型焊接接頭固有變形數據庫。

3 焊接結構的變形預測

對整體加筋板結構進行完整的熱彈塑性計算，得到了結構焊后的變形。與此同時，應用異種鋼焊接接頭的固有應變的變化規律計算得到固有應變數據，然后通過彈性殼單元法得到結構焊后的變形，將兩者變形結果進行比較。

3.1 結構模型

加筋板由SUS304鋼與Q345鋼對接焊形成，尺寸均為1000 mm×500 mm×9 mm，加強筋材料為Q345鋼，尺寸均為1000 mm×120 mm×12 mm，定位尺寸詳見圖7所示的有限元模型。

圖7 加筋板模型及接頭形式

SUS304與Q345之間采用MIG焊接，Q345之間焊接采用CO2氣體保護焊。焊接順序為板材對接焊→加強筋點焊固定位置→y方向加強筋角接焊→x方向加強筋角接焊。焊接工藝參數見表3。

表3 焊接工藝參數

3.2 變形計算與結果

根據上文得到的異種鋼固有應變的變化規律，并參考單一材料T型焊接固有應變的變化規律[10]，獲得加筋板焊接工藝參數下焊接接頭的固有應變數據，通過彈性殼單元法按照焊接順序逐次激活不同的焊道，加載計算得到整體異種鋼加筋板結構焊接變形。該計算結果變形云圖和熱彈塑性法計算的變形云圖見圖8，可觀察到異種鋼板經歷對接焊，角接焊后出現明顯變形。

為定量比較兩種計算結果，圖9、圖10分別給出了加筋板模型中直線1和直線2(圖8)的撓度Uz變形曲線。

(a)熱彈塑性法

圖9 沿線1方向的撓度變形

圖10 沿線2方向的撓度變形

由圖9可以看出，兩種方法的變形結果以x=500 mm為中心基本呈對稱分布并沿著兩側下降且趨勢較為吻合，熱彈塑性法最大撓度值結果為4.2 mm，固有應變法結果為5.0 mm，誤差為16%左右。由圖10可以看出，兩者的變形結果以y=500 mm為中心對稱分布，沿著兩側下降，在距離對稱點250 mm左右突變下降且趨勢一致，熱彈塑性有限元法最大撓度值為6.8 mm，固有應變法結果為7.6 mm，誤差為10%左右。兩者變形分布差距產生的主要原因是熱彈塑性法計算過程中焊接時存在板的邊緣效應，焊道之間存在相互影響等，而固有應變法忽略了上述因素，僅按照焊道順序逐次加載彈性計算。綜上所述，不論是變形的趨勢還是大小，加筋板焊接數值模擬固有應變法與熱彈塑性有限元法的計算結果較為吻合，該方法能夠準確預測大型異種鋼結構焊接變形，也驗證了本文固有應變變化規律的可靠性。

4 結論

(1)本文提出了用于計算Q345/SUS304異種鋼焊接變形的熱彈塑性有限元方法，數值模擬結果與試驗結果吻合良好，且固有應變法用于異種鋼焊接模擬的計算結果與前者的結果吻合較好，從而驗證了所提方法的可靠性。

(2)得到了固有應變的變化規律：隨著熱輸入參數Q/h2的增大，縱向收縮力、相對橫向收縮近似呈線性增大，而角變形先增大后減小，且分界線為Q/h2=12 J/mm3左右。

(3)通過復雜異種鋼焊接結構的實例分析進一步驗證了基于上述變化規律的固有應變法的準確性，且該方法計算簡便高效，方便開展大型異種鋼結構裝焊工藝、變形控制的后續研究。