高強度鋼典型焊接接頭參數對殘余應力的影響

孫凱祥，張曉飛，朱德欽，羅廣恩

(1. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；2. 陸軍軍事交通學院鎮江校區，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

錐柱耐壓殼是潛器最為重要的焊接結構之一，而高強度鋼為潛器耐壓殼常用材料之一。由于潛器下潛和上浮的循環往復而產生了交變載荷，使得錐柱耐壓殼部位成為了疲勞熱點區域[1]，如圖1所示。殘余應力和潛器外載荷相疊加，易使該部位提早發生疲勞損傷。

圖1 耐壓結構典型焊接接頭Fig. 1 Typical welded joints for compression structures

文獻[2 - 3]采用試驗方法對耐壓殼焊縫附近的殘余應力進行測試，結果發現焊縫處存在著較大的焊接殘余應力；文獻[4 - 5]分析得到當潛器下潛時錐柱耐壓殼附近會產生較大的拉壓應力。為了降低成本，可采用帶一定角度的平板焊接接頭模型來模擬錐柱焊接接頭，如圖1（b）所示。總體來說，對錐柱耐壓殼典型焊接接頭殘余應力數值模擬和試驗研究較少。

本文以高強度鋼耐壓殼典型焊接接頭模型為研究對象，采用數值模擬和試驗相結合的方法對錐柱耐壓殼典型焊接殘余應力分布規律進行研究，并分析典型焊接接頭幾何參數和焊接工藝參數等對殘余應力的影響。研究結果可為高強度鋼水下耐壓結構的安全性研究提供相關理論基礎。

1 焊接殘余應力有限元分析方法

利用有限元法分析焊接溫度場時，假設單個單元內的節點溫度在空間域上呈線性分布，節點溫度的一階常系數微分方程組利用變分公式推導。時間域上，使用有限差分法將其轉化為節點溫度線性代數方程組的遞推公式，疊加每個單元矩陣，從而形成節點溫度的線性方程組，進而可以求得節點的溫度，其方法如下：

將空間域離散，形函數記為N，單元節點溫度為Te，則每個單元內各節點的溫度可表示為

焊接殘余應力的本質在于焊接過程中產生了不可恢復的塑性變形，材料處于彈塑性狀態的應力應變關系[6]為

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為與溫度有關的向量。

2 耐壓殼典型焊接接頭有限元模型

耐壓殼典型焊接接頭模型由2塊尺寸為300 mm×300 mm×22 mm的高強度鋼平板（A板）和1塊尺寸為150 mm×300 mm×22 mm的高強度鋼平板（B板）分別呈27°錐角焊接而成，形成兩道焊縫，分別為焊縫I和焊縫II，焊縫尺寸為20 mm×300 mm×22 mm，焊接接頭有凹凸面之分，如圖2所示。

圖2 焊接接頭模型幾何尺寸Fig. 2 Geometry size model of welding joint

參考實際焊接工藝流程等相關參數，基于有限元分析軟件Ansys的APDL語言二次開發了典型錐柱耐壓殼焊接接頭的焊接數值模擬程序。網格劃分在焊縫區域處較密集，而隨遠離焊縫距離的增加網格逐漸變疏，如圖3所示。

圖3 焊接接頭有限元模型Fig. 3 Finite element model of welded joint

2.1 焊接材料參數

高強度鋼耐壓殼典型焊接接頭模型材料的熱物理性能和應力應變特性參數如表1及表2所示。

表1 某高強度鋼材料的熱物理性能參數Tab. 1 Thermophysical properties of a high strength steel material

表2 某高強度鋼材料的應力應變特性（MPa）Tab. 2 Stress and strain characteristics of a high strength steel material （MPa）

2.2 焊接熱源的選取

焊接過程采用手工電弧焊焊接，焊接電流為23 A，焊接電壓為112 V，焊接速度為125 mm/min，焊接熱效率為0.7，焊喉初始溫度為1 300℃。在模擬焊接過程時在焊縫厚度方向上簡化成若干道焊縫，采用沿厚度方向交替焊的焊接工藝。

采用生死單元方法模擬焊縫的填充，凈焊接熱輸入的方程如下式：

式中：v為焊接速度；η為焊接熱效率；u為電弧電壓；I為焊接電流。

2.3 邊界條件

初始溫度設定為25 ℃，對流換熱系數為62.5 W/m2·℃。將模型的4個角邊剛性固定以防止其在計算過程中產生剛體位移。

2.4 數值模擬結果及分析

由于模擬和試驗中發現軸向焊接殘余應力對裂紋以及模型的疲勞有重要影響，所以本文著重對軸向焊接殘余應力研究，且在模擬中焊縫II（圖1和圖2）軸向焊接殘余應力在距焊縫100～150 mm左右基本已經降到很低，因此，耐壓殼典型焊接接頭中焊縫II對焊縫I熱影響區的影響可以忽略，所以本文只對焊縫I（圖1和圖2）進行殘余應力研究。圖4和圖5分別為模型焊縫I凹面及凸面表面軸向焊接殘余應力（垂直于焊縫方向的殘余應力）分布和殘余應力分別在凹、凸表面板寬中軸線的分布曲線，工藝參數參照實際的焊接參數。

圖4 軸向焊接殘余應力的分布（焊縫I）Fig. 4 Distribution of axial welding residual stress (weld seam I)

圖5 軸向焊接殘余應力在板寬中軸線分布（焊縫I）Fig. 5 Distribution axial welding residual stress along width centerline (weld seam I)

從圖4和圖5可以看出：焊縫I凹面的軸向焊接殘余應力呈雙峰形狀分布，且為拉應力，最大值有249 MPa左右；焊縫I凸面軸向焊接殘余壓應力呈單峰形狀分布，最大值有390 MPa左右；且均在焊縫區域較大。

3 耐壓殼典型焊接接頭殘余應力試驗研究

采用X射線法對耐壓殼典型焊接接頭模型表面焊縫附近區域的軸向焊接殘余應力進行測量。

3.1 試驗測量步驟

1）在測試表面劃線定點、標示坐標系、確定測量位置及編號，如圖6所示。X軸為板寬的中心線，Y軸為焊縫I中心線。

圖6 試驗測點布置圖Fig. 6 Layout of test point

2）實驗之前先用電動打磨機，去除各測點處表面的氧化膜和銹斑，之后再用細砂紙，打磨整個試件表面直至平整。

3）對模型試件表面進行電解拋光處理，消除因打磨產生的加工應力，拋光深度約為100 μm。電解拋光處理后立即將試件表面擦凈，用紙和布將其遮護，確保模型試件表面干燥，防止生銹。

4）用X射線殘余應力儀進行測試時，對每個測點依次完成儀器的定位和標定、測點對中和測量4個步驟。

3.2 測量結果

通過試驗測量并得到耐壓殼典型焊接接頭模型焊縫I附近表面處的軸向焊接殘余應力，測量結果如表3所示。

表3 軸向焊接殘余應力測量結果（MPa）Tab. 3 Measurement result of axial welding residual stress (MPa)

4 數值模擬結果與試驗測量結果的對比

將有限元計算得到的模型軸向焊接殘余應力與試驗測量值進行比較，如圖7所示。

圖7 殘余應力模擬值與試驗值比較Fig. 7 Comparison between simulation and test of residual stresses

從圖7可以看出數值模擬結果與試驗測量結果趨勢基本一致，所以本文采用的有限元數值模擬方法對耐壓殼典型焊接接頭模型焊接殘余應力進行計算分析是合理的。

5 材料參數對耐壓殼模型焊接殘余應力的影響

5.1 材料屈服強度

在假定其他參數相同的情況下，分別設屈服強度為760 MPa，860 MPa和960 MPa，對典型耐壓殼焊接接頭模型進行焊接殘余應力的數值模擬計算，結果如圖8及表4所示。

表4 不同屈服強度材料的模型軸向焊接殘余應力最大值（MPa）Tab. 4 Maximum axial welding residual stress of different yield strength materials（MPa）

圖8 材料屈服強度對模型軸向焊接殘余應力的影響Fig. 8 Effect of material yield strength on axial welding residual stress

可以看出，當材料屈服強度不同時：

1）軸向焊接殘余應力的分布趨勢基本一致；

2）當材料屈服強度增大時，模型凸面的軸向焊接殘余壓應力以及凹面的軸向焊接殘余拉應力都會隨著增大，在焊縫區表現的最為明顯；

3）相對模型凸面軸向焊接殘余壓應力的增加，模型凹面軸向焊接殘余拉應力的增加不大。

5.2 材料熱膨脹系數

在假定其他參數相同的情況下，分別設熱膨脹系數為1.06E-5，1.56E-5和2.06E-5，對典型耐壓殼焊接接頭模型進行焊接殘余應力的數值模擬計算，結果如圖9 及表5所示。

表5 不同熱膨脹系數模型的軸向焊接殘余應力最大值（MPa）Tab. 5 Maximum axial welding residual stress of different thermal expansion coefficients (MPa)

圖9 熱膨脹系數對模型軸向焊接殘余應力的影響Fig. 9 Effect of thermal expansion coefficient on axial welding residual stress

可以看出，模型凸面的軸向焊接殘余壓應力以及凹面的軸向焊接殘余拉應力都隨著材料熱膨脹系數的增大而增大，且在焊縫附近區域的增幅比較明顯。

5.3 材料熱傳導率

在假定其他參數相同的情況下，分別設熱傳導率為16.3，26.3和36.3，對典型耐壓殼焊接接頭模型進行焊接殘余應力的數值模擬計算，結果如圖10及表6所示。

表6 不同熱傳導率的模型軸向焊接殘余應力最大值（MPa）Tab. 6 Maximum axial welding residual stress with the different thermal conductivity (MPa)

圖10 熱傳導率對模型軸向焊接殘余應力的影響Fig. 10 Effect of thermal conductivity on axial welding residual stress

可以看出，當材料熱傳導率增大時，模型凸面的軸向焊接拉應力和凹面的軸向焊接殘余壓應力都不斷加大。

6 邊界條件對耐壓殼模型焊接殘余應力的影響

在假定其他參數相同的情況下，分別設邊界條件兩邊端面8個點約束、4條邊約束及8條邊約束（約束由弱到強），對典型耐壓殼焊接接頭模型進行焊接殘余應力的數值模擬計算，結果如圖11及表7所示。

表7 不同邊界條件的模型軸向焊接殘余應力最大值（MPa）Tab. 7 Maximum axial welding residual stress with the different boundary conditions (MPa)

圖11 邊界條件對模型軸向焊接殘余應力的影響Fig. 11 Influence of boundary condition on axial welding residual stress

可以看出，當邊界條件不同時：

1）軸向焊接殘余應力的分布趨勢基本保持一致；當約束減弱時，模型凹面的軸向焊接殘余拉應力的雙峰分布更為明顯；

2）隨著約束的增強，模型凸面軸向焊接殘余壓應力及凹面軸向焊接殘余拉應力的應力水平都會有不同程度的增加。

7 結 語

通過對高強度鋼典型焊接接頭殘余應力及相關參數對殘余應力影響的研究，可以得到以下結論：

1）材料屬性和邊界條件和對耐壓殼典型焊接接頭模型殘余應力有影響；改變材料屬性和邊界條件后，耐壓殼典型焊接接頭模型殘余應力分布趨勢不發生明顯改變，只是應力值發生了變化，并在焊縫附近區域表現更為明顯。

2）在邊界條件相同的情況下，當材料屈服強度、材料膨脹系數以及熱傳導率增大時，模型凸面的軸向焊接殘余壓應力以及凹面的軸向焊接殘余拉應力都隨之增大；當材料屈服強度增加時，相對模型凸面軸向焊接殘余壓應力的增加，模型凹面軸向焊接殘余拉應力的增加不大。

3）在材料屬性相同的情況下，當邊界約束增強時，模型凸面軸向焊接殘余壓應力和凹面軸向焊接殘余應力拉應力都會有不同程度的增加；隨著邊界約束的減弱，模型凹面的軸向焊接殘余拉應力的雙峰分布更為明顯。