殘余應力對GH3230層板焊縫熱疲勞壽命影響規律研究

董志波 李承昆 王程程 韓放 張植航 滕俊飛 呂彥龍

摘要：

為了探究殘余應力對層板冷卻結構焊縫服役壽命的影響規律，首先對GH3230層板在常規條件下的激光焊接過程進行有限元模擬與實驗驗證，然后在此基礎上對預拉伸、溫差拉伸等焊接殘余應力調控方法開展模擬。基于焊后殘余應力模擬結果研究了層板服役過程的溫度及等效應力變化規律，并將多個模型之間不同殘余應力下服役狀態進行對比分析，最后利用Morrow修正的Coffin-Manson方程對焊縫后續服役壽命進行評估。研究結果表明，焊接殘余應力的存在大幅降低了層板結構焊縫區域熱疲勞壽命，通過殘余應力調控技術可有效改善焊縫區域服役過程中的應力幅或平均應力，使其分別下降70%與25%，焊接殘余應力調控對提高層板結構熱疲勞壽命具有重要意義。

關鍵詞：層板結構；殘余應力；熱應力；疲勞壽命

中圖分類號：TG156

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.06.015

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on Influence Rules of Residual Stress on Thermal Fatigue Life of

GH3230 Laminate Welds

DONG Zhibo1? LI Chengkun1? WANG Chengcheng1? HAN Fang1? ZHANG Zhihang1

TENG Junfei2? LYU Yanlong2

1.National Key Laboratory of Precision Welding & Joining of Materials and Structures，

Harbin Institute of Technology，Harbin，150001

2.AVIC Manufacturing Technology Institute，Beijing，100024

Abstract： In order to investigate the influences of residual stress on the service life of weld seams of laminate cooling structures， first of all， finite element simulation and experimental verification were carried out on the laser welding processes of GH3230 laminate under conventional conditions. Then corresponding regulated approaches including pre-stretching and thermotensile et al. were simulated and analyzed. Afterwards， the evolutions of temperature and equivalent stress during service periods with and without residual stress were studied respectively. The service life was later evaluated using Coffin-Manson model modified by Morrow. The results demonstrate the thermal fatigue life caused by residual stress is significantly decreased. Furthermore， the stress amplitude and the mean stress while servicing， which decreasing 70% and 25% respectively， are effectively improved using regulating approaches mentioned above. Regulating welding residual stress is of vital importance for improving the thermal fatigue life of laminate structures.

Key words： laminated structure; residual stress; thermal stress; fatigue life

收稿日期：20231018

基金項目：航空發動機及燃氣輪機重大專項（J2019-Ⅶ-0012-0152）

0? 引言

GH3230為Ni-Cr基固溶強化變形高溫合金，具有較高的高溫強度、優異的抗氧化性與熱穩定性，工作溫度可達1050 ℃。同時該合金具有良好的焊接性，常用于制造先進航空航天發動機的熱端部件［1-3］。此類熱端部件在復雜熱載荷作用下承受不均勻熱應力，極易產生疲勞損傷失效行為［4］。同時焊接殘余應力、塑性變形的存在導致構件熱疲勞壽命縮短，使結構熱應力分析更加復雜。

針對復雜熱載荷下工件熱疲勞壽命的評估，國內外學者開展了大量研究工作。TUNTHAWIROON等［5］對鋁合金壓鑄模在不同溫度和機械應變下的熱疲勞行為進行研究，討論了溫度和機械應變對熱疲勞壽命的影響。張仕朝等［6］通過GH3030的低周疲勞試驗，應用Coffin-Manson公式，探究了不同應變比下的應變壽命。李錦娟等［7］探究了三種溫度下應變比為1時的應變疲勞行為，運用Coffin-Manson模型和含有疲勞極限的應變疲勞公式，擬合了應變壽命關系曲線并進行了對比評價。蔡顯杰等［8］建立了壓鑄模鑲塊在壓鑄過程的熱力耦合數值分析模型，將材料參數和仿真結果代入經典低周疲勞壽命預測Coffin-Manson模型中，對其熱疲勞壽命進行了預測。

焊接接頭往往是焊接結構中最危險的部位，而目前國內外研究中，針對工件焊接接頭熱疲勞壽命評估的研究較少。本文所涉及的層板冷卻結構在雙層壁內存在大量冷卻通道，在具有高冷卻效率的同時導致了溫度場分布不均，在焊縫區域引發不均勻的熱應力，并與焊接殘余應力場互相影響，雖然預拉伸、溫差拉伸等應力調控方法可以顯著降低焊后殘余應力峰值，改變殘余應力分布模式，但對焊接接頭熱疲勞壽命的影響尚不明確，未見相關研究報道。

本文利用有限元數值模擬方法在MSC.Marc軟件中建立典型的層板密排陣列孔柱結構常規激光焊模型，并在此基礎上分析預拉伸、溫差拉伸對焊接溫度和應力場分布規律的影響。最后分別模擬了不同應力調控方法的焊后服役過程，在局部應力應變法的理論框架下應用Morrow修正的Coffin-Manson公式對該結構不同焊接調控方法處理后的焊縫熱疲勞壽命進行了評估。

1? 層板激光焊及服役過程模擬

1.1? GH3230層板有限元模型

圖1為現有的典型層板結構示例，本文依據這類結構形式建立了GH3230 層板有限元模型，如圖2所示。有限元模型尺寸為140 mm×110 mm×2.1 mm，由八節點六面體單元組成，焊縫處采用過渡網格，最密集處焊縫單元格尺寸為0.2 mm，最終模型的單元數為38 656，節點數為58 951。

1.2? 材料特性

GH3230合金材料密度為8.9 g/cm3，熔化溫度為1310 ℃。本文進行模擬計算所需要的合金熱物性參數如圖3所示，計算過程涉及圖中所示溫度范圍以外的數據均采用線性外推法獲得［9］。

1.3? 激光焊及應力調控過程模擬

GH3230 層板焊接方法采用激光焊，光斑直徑為0.3 mm，激光功率為2300 W，焊接速度為30 mm/s。模擬過程中焊接熱源模型采用高斯表面熱源與圓柱體熱源模型相疊加［9］，其中高斯面熱源曲面半徑為1.6 mm，旋轉體熱源半徑為1 mm，深度為2 mm。圖1所示模型中所有與外界環境接觸的表面（包括內部孔道）設置了換熱邊界條件，層板初始溫度與外界環境溫度設置為25 ℃。

激光焊模擬過程中未考慮熔池上下表面的變形和熔池金屬的蒸發，焊接前對圖2中框選區域范圍內的所有節點施加x、y、z三個方向的位移約束，焊接結束冷卻完成后卸載。在預拉伸模型中，施加位移約束前對圖2所示①區域單元面施加70%材料常溫屈服強度的拉應力，在焊接結束冷卻完成后，先卸掉拉力，后去除位移約束。在溫差拉伸模型中，對圖2所示①區域下方施加外界環境為200 ℃的強換熱條件，在兩塊①區域之間的下表面施加40 ℃的強換熱條件，模擬溫差拉伸時的實際工況。

1.4? 服役過程模擬

對于層板實際服役所受的復雜載荷，在服役過程模擬中依據文獻［10］采用圖4所示的載荷譜，服役過程中最高外界環境溫度為1100 ℃，最低環境溫度為130 ℃。同時模擬燃氣氣壓，在層板上表面施加500 kPa的均布壓力。

在研究焊接殘余應力對熱疲勞壽命的影響時，將激光焊模擬的應力、應變與型面變形結果作為服役的初始條件導入模型。為了保證模型計算結果收斂，在焊縫背面一側部分節點施加z向的位移固定約束。

2? 模擬結果分析與討論

2.1? 激光焊及服役過程模擬結果分析

開展與有限元模擬相同尺寸板材的激光焊接實驗，同時采用K型熱電偶記錄圖2中②點的焊接過程熱循環曲線，模擬結果與實測結果對比如圖5所示。按照AESM E837-20采用盲孔法對試驗件進行了焊接殘余應力測量，測點分布、測量結果與模擬結果對比如圖6所示。圖6測量編號1，3，5，7分別代表a、b、c、d四點的縱向應力測量結果，測量編號2，4，6，8分別代表a、b、c、d四點的橫向應力測量結果。熱循環曲線與應力場的試驗測量結果驗證了本研究構建的有限元模型的有效性，為后續分析的準確性提供了保障。應力測量結果的誤差主要由測量過程中打孔深度偏差、鉆孔對中度偏差、應變片測量精度誤差、模擬中相變考慮缺失等因素導致［11］。

圖7分析了三種焊接過程焊后焊縫中心的等效米塞斯應力。由結果可知，溫差拉伸、預拉伸可大幅降低焊縫中心區域的焊接殘余應力。溫差拉伸對應力的減小效果相對于預拉伸對應力的減小效果更加均勻。由于預拉伸施加的拉力在焊縫兩側且拉力范圍較寬，在焊縫兩端處力線分布較少，預拉伸的作用效果下降，導致焊縫兩端應力分布較為復雜。

2.2? 服役過程模擬結果分析

圖8表征了GH3230層板服役過程不同時刻溫度場差異。圖8a的時間和外界環境溫度對應圖4中A時刻，圖8b對應圖4中B時刻，焊接路徑方向由圖2中P1點指向P2點。圖9則表征了焊縫整體溫度隨時間變化。由結果可知，

層板結構孔道區域具有較強的換熱能力，在高溫階段具有比焊縫區域更高的溫度，在低溫階段溫度反而更低。層板結構焊縫區域受熱均勻，各個位置沒有明顯的溫度差異，說明孔道區域在服役過程中與其他區域的溫差并未影響焊縫。

為了探究焊接殘余應力對層板服役壽命的影響，假設層板中部區域無焊縫，且為一個整體，對其服役過程中焊縫區域等效應力變化規律進行分析，如圖10所示。其中焊縫邊緣對應圖2中P1區域，距離焊縫端部5 mm;焊縫近邊緣對應圖2中P2區域，距離端部40 mm;焊縫中心對應圖2中P3區域。層板結構在服役狀態下，因整體溫度分布不均，導致焊縫區域出現不均勻熱應力，表現為中心熱應力幅值大，兩端熱應力幅值小，端部存在最大值。由于模型未焊接，因此焊縫中心初始應力為0，

在服役初始階段，焊縫中心的熱應力峰值最大，接近330 MPa，100 s后熱應力循環趨于穩定。

以焊縫中心點為例，模擬不同應力調控方法焊接后的服役過程，分析焊接殘余應力對服役過程熱應力循環的影響，結果如圖11所示。在進入穩定循環后，應力峰值均出現在焊縫與孔道區域溫差最高點。在未焊接時，低溫階段溫差最高時應力最大，隨著溫度升高，孔道區域溫度迅速升高，達到與焊縫區域相近的溫度水平后，整個板材溫度場變得均勻，因不均勻溫度場導致的熱應力迅速降低。隨后，孔道溫度繼續升高，產生不均勻的溫度場，導致焊縫區域應力再次增大，并在升溫階段溫差的最高點達到第二峰值。溫度降低后，在均勻的溫度場下再次出現最低應力。未焊接試件在穩定服役過程中焊縫中心最大應力為93 MPa，最小應力為2 MPa，應力幅的平均值為45 MPa。

焊接導致服役過程中的應力循環數值發生變化，基本規律依然相同。在焊縫溫度與孔道溫度的溫差最大點依然會出現應力峰值，但最大應力點出現在高溫階段，在低溫階段的應力峰值很小。同時可知焊接會導致服役過程中的熱應力大幅升高，應力幅平均值提高至147 MPa，預拉伸、溫差拉伸能夠一定程度上減小服役應力，應力幅平均值分別為144 MPa、110 MPa。預拉伸使得服役過程應力變化幅度減小，溫差拉伸雖然降低了應力幅的平均值，但其應力變化幅度較大，預期會對疲勞壽命造成不利影響。

3? 層板結構焊縫區域服役壽命估算

3.1? 疲勞壽命估算方法

以Coffin-Manson公式為基礎的局部應力應變法被廣泛應用于工件熱疲勞壽命分析［12］。在應力比為-1時，彈性應變幅與疲勞壽命的關系可表示為

εea=Δεe2=σaE=σ′fE（2Nf）b（1）

式中，2Nf為疲勞壽命；E為彈性模量；εea為彈性應變幅；Δεe為彈性應變范圍；σa為應力范圍；σ′f為疲勞強度系數；b為疲勞強度指數。

塑性應變幅與疲勞壽命的關系可表示為

εpa=Δεp2=ε′f（2Nf）c（2）

式中，εpa為塑性應變幅；Δεp為塑性應變范圍；ε′f為疲勞韌性系數；c為疲勞韌性指數。

總應變幅εa為彈性應變幅與塑性應變幅之和，即Coffin-Manson公式［13］：

εa=εea+εpa=σ′fE（2Nf）b+ε′f（2Nf）c（3）

對于非對稱的應變循環，上述公式應進行平均應力修正，即

εa=σ′f－σmE（2Nf）b+ε′f（2Nf）c（4）

式中，σm為平均應力。

通過帶有平均應力修正的Coffin-Manson公式可以估算此類層板熱疲勞壽命，并分析焊接殘余應力對壽命帶來的影響。

3.2? 焊縫中心熱疲勞壽命評估

GH3230的疲勞性能參數［14］如表1所示，通過數值模擬方法獲得服役過程的總應變幅值和應力幅值后，代入式（4）計算即可獲得疲勞壽命。

在計算壽命時取所選位置的五個節點數據進行平均，最終計算結果如表2所示。結合計算結果可知，焊接會大幅降低疲勞壽命，預計服役壽命僅為未焊接時服役壽命的17%，溫差拉伸對疲勞壽命的改善效果不明顯，而預拉伸對疲勞壽命的改善效果較好，使焊后疲勞壽命提高約1.4倍。溫差拉伸雖然能夠降低服役過程中的應力平均值，但應力幅依然較大，對疲勞壽命造成不利影響。預拉伸雖然對服役過程應力均值影響較小，但可大幅改善應力幅，進而改善疲勞壽命［15-16］。

4? 結論

（1）服役過程層板特殊結構引發不均勻溫度場，由此帶來的熱應力是結構失效的重要原因。孔道區域與焊縫區域溫差與焊縫區域熱應力數值正相關。

（2）焊接殘余應力會大幅降低層板結構熱疲勞壽命。焊后服役的應力均值相比于未焊接提高了約1.4倍。

（3）預拉伸、溫差拉伸等方法均可改善焊接對服役過程帶來的影響。溫差拉伸能夠降低服役過程25%的應力均值，但對應力幅改善效果差，因此預拉伸對疲勞壽命的改善效果更好。

參考文獻：

［1］? 杜金輝， 趙光普， 鄧群， 等. 中國變形高溫合金研制進展［J］. 航空材料學報， 2016， 36（3）：27-39.

DU Jinhui， ZHAO Guangpu， DENG Qun， et al. Development of Wrought Superalloys in China［J］. Journal of Aeronautical Materials， 2016， 36（3）：27-39.

［2］? 張冬旭， 溫志勛， 岳珠峰. GH3230高溫合金熱變形行為及本構模型研究［J］. 稀有金屬， 2014， 38（6）：986-992.

ZHANG Dongxu， WEN Zhixun， YUE Zhufeng. Study on Hot Deformation Behavior and Constitutive Model of GH3230 Superalloy［J］. Rare metals， 2014， 38（6）：986-992.

［3］? 高亞偉， 董建新， 姚志浩， 等. GH5188高溫合金組織特征及冷熱加工過程組織演變［J］. 稀有金屬材料與工程， 2017， 46（10）：2922-2928.

GAO Yawei， DONG Jianxin， YAO Zhihao， et al. Microstructure Characteristics and Microstructure Evolution during Cold and Hot Working of GH5188 Superalloy［J］. Rare Metal Materials and Engineering， 2017， 46（10）：2922-2928.

［4］? 吳向宇， 黎旭， 時艷， 等. 典型層板冷卻結構熱疲勞破壞特性研究［J］. 航空動力學報， 2014， 29（5）：1177-1183.

WU Xiangyu， LI Xu， SHI Yan， et al. Study on Thermal Fatigue Failure Characteristics of Typical Laminate Cooling Structures［J］. Journal of Aerodynamics， 2014， 29（5）：1177-1183

［5］? TUNTHAWIROON P， LI Y， KOIZUMI Y， et al. Strain-Controlled ISO—Thermal Fatigue Behavior of Co-29Cr-6Mo Used for Tooling Materials in Al Die Casting［J］. Materials Science and Engineering：A， 2017， 703：27-36.

［6］? 張仕朝， 于慧臣， 李影. 不同應變比下GH3030合金的高溫低周疲勞行為［J］. 機械工程材料， 2014， 38（1）：56-59.

ZHANG Shichao， YU Huichen， LI Ying. High Temperature Low Cycle Fatigue Behavior of GH3030 Alloy at Different Strain Ratios［J］. Mechanical Engineering Materials， 2014， 38（1）：56-59.

［7］? 李錦娟， 王泓， 張建國. GH3030合金高溫應變疲勞行為分析［J］. 熱加工工藝， 2011， 40（18）：44-47.

LI Jinjuan， WANG Hong， ZHANG Jianguo. High Temperature Strain Fatigue Behavior Analysis of GH3030 Alloy［J］. Hot Working Process， 2011， 40（18）：44-47.

［8］? 蔡顯杰， 吳博雅， 左鵬鵬， 等. 壓鑄模鑲塊的熱疲勞失效行為［J］. 金屬熱處理， 2022， 47（2）：250-257.

CAI Xianjie， WU Boya， ZUO Pengpeng， et al. Thermal Fatigue Failure Behavior of Die Casting Die Inserts［J］. Metal Heat Treatment， 2022， 47（2）：250-257.

［9］? 唐文書， 肖俊峰， 高松， 等. Nimonic263合金薄板激光焊熱源模型及參數研究［J］. 熱加工工藝， 2019， 48（19）：131-136.

TANG Wenshu， XIAO Junfeng， GAO Song， et al. Study on Heat Source Model and Parameters of Laser Welding Nimonic263 Alloy Sheet［J］. Hot working process， 2019， 48（19）：131-136.

［10］? 孫坤， 王洪斌， 張樹林， 等. 基于熱響應的陶瓷基復合材料火焰筒熱沖擊試驗［J］. 航空發動機， 2021， 47（3）：86-90.

SUN Kun， WANG Hongbin， ZHANG Shulin， et al. Thermal Shock Test of Ceramic Matrix Composite Flame Tube Based on Thermal Response［J］. Aeroengine， 2021， 47（3）：86-90.

［11］? 駱文澤， 成慧梅， 劉紅艷.高強鋼Q960E對接接頭殘余應力與焊接變形的數值模擬［J］. 中國機械工程， 2023， 34（17）：2095-2105.

LUO Wenze， CHENG Huimei， LIU Hongyan. Numerical Simulation of Residual Stress and Welding Deformation in High-strength Steel Q960E Butt Joints［J］. China Mechanical Engineering， 2023， 34（17）：2095-2105.

［12］? TONG L W， HUANG X W， ZHOU F， et al. Experimental and Numerical Investigations on Extremely-low-cycle Fatigue Fracture Behavior of Steel Welded joints［J］. Journal of Constructional Steel Research， 2016， 119：98-112.

［13］? 童第華， 陳志偉. 局部應變法預測飛機結構帶孔部件疲勞壽命［J］. 航空材料學報， 2011， 31（5）：86-90.

TONG Dihua， CHEN Zhiwei. Prediction of Fatigue Life of Perforated Components of Aircraft Structures by Local Strain Method［J］. Journal of Aeronautical Materials， 2011， 31（5）：86-90.

［14］? 王偉， 呂春堂， 劉兵， 等. Haynes 230鎳基超合金高溫低周疲勞壽命預測［J］. 壓力容器， 2018， 35（5）：22-27.

WANG Wei，LYU Chuntang，LIU Bing. Prediction of High Temperature Low Cycle Fatigue Life of Haynes 230 Nickel-base Superalloy［J］. Pressure Vessel Technology， 2018， 35（5）：22-27.

［15］? 吳英龍， 宣海軍， 單曉明. 離心輪內部疲勞裂紋擴展及其無損定量表征［J］. 中國機械工程， 2021， 32（6）：658-665.

WU Yinglong， XUAN Haijun， SHAN Xiaoming. Internal Fatigue Crack Propagation and Non-destructive Quantitative Characterization of Centrifugal Wheels［J］. China Mechanical Engineering， 2021， 32（6）：658-665.

［16］? 曹蕾蕾， 康凡軍， 郭城臣. 變速箱中間軸焊接結構多軸疲勞壽命分析方法［J］. 中國機械工程， 2023， 34（13）：1605-1610.

CAO Leilei， KANG Fanjun， GUO Chengchen. Multi Axis Fatigue Life Analysis Method for Welded Structure of Gearbox Intermediate Shaft［J］. China Mechanical Engineering， 2023， 34（13）：1605-1610.

（編輯? 王艷麗）

作者簡介：

董志波（通信作者），男，1975年生，教授、博士研究生導師。研究方向為焊接結構力學及可靠性評價。E-mail：dongzhb@hit.edu.cn。