熱輸入對電機支架不同位置V型接頭焊接熱循環和殘余應力的影響

李 剛，關 錳，張艷敏，范靈利，李連海，林 斌，楊 康

(1.沈陽鼓風機集團核電泵業有限公司，沈陽 110142；2.沈陽航空航天大學，遼寧省通用航空重點實驗室，沈陽 110136)

0 引 言

熱輸入是指焊接時輸入給單位長度焊縫上的熱能。熱輸入過大，焊接時功率消耗增大，易使接頭中產生咬邊等焊接缺陷，同時也會導致較大的殘余應力；熱輸入過小，則會產生未焊透、未熔合等焊接缺陷，降低接頭強度；另外，接頭不同區域由于受到的熱循環作用不同，硬度和強度等力學性能存在差異，特別是熱影響區，其力學性能的不均勻性更為嚴重和復雜。研究人員在焊接熱輸入對接頭焊縫力學性能的影響方面進行了大量研究，結果表明，隨著熱輸入的增大，溫度升高，接頭組織粗化，力學性能下降[1-10]。

在工業級大型結構件中，各零部件間的連接主要依靠焊接。焊接過程中因溫度變化而產生的殘余應力不但會降低結構的剛度和穩定性，在溫度和介質的共同作用下還會降低結構的疲勞強度、抗脆斷能力以及抵抗應力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力。因此，焊接殘余應力是影響結構件使用壽命和制造質量的關鍵因素之一。工業級大型結構件焊接接頭主要采用V型接頭、多層焊方法，多層焊時不同焊道的熱脹冷縮會導致焊縫中產生較大應力，焊后消應力處理無法完全消除而形成殘余應力。目前，有限元方法已廣泛應用于焊接殘余應力的研究中[11-12]。但是，工業級大厚度構件的焊接結構復雜，實際模擬分析困難較大，相關研究報道較少。作者使用非線性有限元軟件Marc建立了某型核電用泵體電機支架的有限元模型，研究了熱輸入對焊接熱循環和殘余應力的影響，并進行了試驗驗證。研究結果對工程技術人員制定相關焊接工藝具有一定的指導意義。

1 試驗方法

整個電機支架為環狀結構，如圖1(a)所示，其軸向截面形狀和接頭位置如圖1(b)所示，壁厚為50 mm。由圖1可見，電機支架軸向從底部到頂部共有6處接頭(Ⅰ～Ⅵ)，焊接方向沿環向，接頭Ⅰ～Ⅳ處的支架半徑R為1 050 mm，接頭Ⅴ處的支架半徑R1為1 095 mm，接頭Ⅵ處的支架半徑R2為1 162.5 mm。

圖1 電機支架整體形狀和軸向截面形狀Fig.1 Overall shape (a)and axial section shape (b)of motor bracket

電機支架母材和焊材均為Q235鋼，焊絲直徑為1.2 mm，材料熱物理性能參數見表1。焊接工藝均為氣體保護焊，采用直流電源，焊絲與電源正極相連，保護氣體為75%Ar+25%CO2(體積分數)，氣體流量為15～20 L·min-1，焊接電流為200 A，電弧電壓為25 V，熱效率系數為0.75，根據電流、電壓等參數計算得到的熱輸入為56.25 kJ·mm-1。接頭Ⅰ～Ⅵ連續依次施焊，每個接頭的坡口尺寸和焊接順序均與圖2中接頭Ⅰ相同，均為V型坡口，焊接10道次，對稱施焊，每條焊道高度均為5 mm。

表1 Q235鋼的熱物理性能參數Table 1 Thermo-physical property parameters of Q235 steel

采用DD12型手持式X射線殘余應力測試儀進行殘余應力測試，經過M點(如圖2所示)沿環向選取10個等距離點進行測試，測試功率為100 W，掃描角度為-30°～30°，掃描時間為每點40 s。

圖2 接頭Ⅰ處的V型坡口尺寸和焊接順序Fig.2 V-shaped groove size and welding sequence at joint Ⅰ

2 有限元模型的建立

為了細化網格、提高計算精度，取1/3電機支架進行建模。由圖3可見，在1/3電機支架中，接頭Ⅰ和Ⅱ處的焊縫長度為πR/3，接頭Ⅲ和Ⅳ處的焊縫長度為2πR/3，接頭Ⅴ處的焊縫長度為πR1/3，接頭Ⅵ處的焊縫長度為2πR2/3。整個模型長度為2 535 mm，劃分網格后的1/3電機支架模型如圖4所示，焊縫處網格較密，熱影響區次之，母材區網格較為稀疏，單元尺寸(長×寬×高)分別為2 mm×2 mm×2 mm，4 mm×4 mm×2 mm，10 mm×4 mm×2 mm。網格類型選用八節點六面體單元HEX(8)，單元數為157 434個，節點數為30 896個。模擬時焊接工藝及順序與試驗保持一致，選擇3組工藝參數：焊接電流200 A，電弧電壓25 V，熱效率系數0.75；焊接電流250 A，焊接電壓30 V，熱效率系數0.75；焊接電流300 A，電弧電壓37 V，熱效率系數0.75。焊接速度均為4 mm·min-1，焊接時間由各焊縫長度計算得到。由焊接電流、焊接電壓等參數計算得到的焊接熱輸入分別為56.25，84.38,124.88 kJ·mm-1。選擇橢球形移動熱源進行焊接模擬，其表達式[8]為

圖3 1/3電機支架模型中各焊接接頭的焊接方向及焊縫長度示意Fig.3 Welding direction and weld length diagram of each welded joint in 1/3 motor bracket model

圖4 1/3電機支架模型和網格劃分Fig.4 1/3 motor bracket model and mesh generation

(1)

式中：q(x,y,z,t)為輸入熱量；x，y，z為空間坐標；t為焊接時間；v為焊接速度，4 mm·s-1；Q為熱效率系數；a為橢球形移動熱源長度參數，5.0 mm；b為橢球形移動熱源寬度參數，4.0 mm；c為橢球形移動熱源垂直參數，5.0 mm；?為焊接熱源的滯后時間。

3 結果與討論

3.1 模型準確性驗證

由圖5可以看出，在位置M處平行于焊接方向的路徑上，實際測試與有限元模擬得到的殘余應力均為拉應力，沿焊接方向的變化趨勢相同，最小殘余應力均出現在焊接路徑中間位置處。殘余應力測試結果與有限元分析結果的相對誤差均小于10%，吻合度較高，說明有限元模型的參數設置具有較高的準確度。

圖5 焊接接頭Ⅰ熱影響區M處殘余應力沿焊接方向的變化曲線(熱輸入56.25 kJ·mm-1)Fig.5 Variation curves of residual stress at heat affected zone M point of welded joint I along welding direction (56.25 kJ·mm-1 heat input)

3.2 熱輸入對焊接熱循環的影響

由圖6可知：在3種焊接熱輸入下，不同焊接接頭第1道焊起弧端節點的熱循環曲線變化趨勢相同。與焊接熱源直接接觸時，起弧端節點溫度從室溫瞬間升高到1 500 ℃，達到焊材的熔點形成熔池；隨著焊接時間的推移，起弧端節點因熱源逐漸遠離，溫度下降，熔池凝固形成焊縫；在進行后續第2～10道焊時，第1道焊起弧端節點均會再次受熱而溫度升高，隨后隨著熱源的遠離溫度又下降，因此熱循環曲線出現多個溫度峰值現象(圖中方框)。隨著焊接熱輸入的升高，在焊接第2～10道時的峰值溫度升高(圖中方框)，接頭加熱和冷卻時的溫度分布更加均勻，這有利于降低焊接殘余應力。

圖6 不同熱輸入下不同焊接接頭起弧端節點處的熱循環曲線Fig.6 Thermal cycle curves at arcing end nodes of different welded joints under different heat inputs

3.3 熱輸入對殘余應力的影響

由圖7可以看出：不同焊接接頭第10焊道中的縱向(沿x軸方向)殘余應力沿焊接方向的變化規律基本相同；在焊縫前端和末端，焊接熱輸入對殘余應力的影響不大，在焊縫中段，殘余應力均隨熱輸入的增加而減小。接頭Ⅰ和接頭Ⅵ處除了在焊縫前端出現殘余壓應力外，其余位置均為拉應力；接頭Ⅱ除了在焊縫前端和末端出現拉應力外，其余位置都是壓應力；接頭Ⅲ和接頭Ⅵ則相反，除了在焊縫前端和近末端處出現壓應力外，其余位置都是拉應力；接頭Ⅴ第10焊道中的殘余應力全是拉應力。

圖7 不同熱輸入下不同焊接接頭第10焊道中縱向殘余應力沿焊接方向的變化曲線Fig.7 Variation curves of longitudinal residual stress along welding direction of the tenth pass in different welded joints under different heat inputs:(a)joint Ⅰ;(b)joint Ⅱ;(c)joint Ⅲ;(d)joint Ⅳ;(e)joint Ⅴ and (f)joint Ⅵ

4 結 論

(1)建立含6處V型接頭的電機支架模型，通過有限元模擬得到其接頭Ⅰ處熱影響區的殘余應力與實測殘余應力沿焊接方向的變化趨勢相同，且殘余應力的相對誤差均小于10%，模型準確。

(2)模擬得到電機支架上6處接頭焊縫的縱向焊接殘余應力的變化規律：對于焊縫前端和末端，熱輸入對焊接殘余應力的影響較小；對于焊縫中段，熱輸入越大，焊接殘余應力越小，并且除了接頭Ⅱ外，其他接頭均表現為拉應力。

(3)在進行多層多道焊時，熱輸入越大，起弧端峰值溫度越高，接頭在加熱和冷卻過程中的溫度越均勻，這有利于減小殘余應力。