摘要:針對兩種奇特的封閉環(huán)焊縫焊接———圓盤鑲塊和平板垂直接管的多道焊焊接進行了三維數(shù)值模擬,論證采用子程序來實現(xiàn)高斯分布表征的熱源移動,得到了焊接的熱循環(huán)過程及焊后殘余應力分布。研究表明,封閉環(huán)焊縫在起焊/收焊區(qū)域的殘余應力狀況復雜,具有較大的環(huán)向殘余拉應力,往往會誘使焊縫開裂失效。對比而言,接管環(huán)焊縫的應力狀況更應引起足夠的重視。
　　關鍵詞:奇特封閉焊縫;；殘余應力;有限元方法;多道焊;高斯分布熱源
　　0序言
　　根據(jù)大的殼體進行局部挖補鑲塊修復焊接以及板結構焊接接管時,其焊縫屬于奇特的封閉焊縫。原于焊縫的閉合性,拘束度較大,焊后常會產(chǎn)生較大的焊接殘余應力,特別對于奧氏體不銹鋼焊件,焊后通常不做專門的焊后熱處理，存在勢必會降低焊接接頭的性能進而影響整個焊件服役的可靠性。比如在腐蝕環(huán)境下服役的奧氏體不銹鋼焊件,其焊接接頭由于殘余拉應力、接頭區(qū)微結構以及腐蝕環(huán)境的共同作用,容易發(fā)生應力腐蝕開裂(SCC)失效1;對于長期服役于高溫環(huán)境下的焊接構件,高溫蠕變的影響致使材料發(fā)生劣化,最終導致蠕變開裂,其中發(fā)生熱影響區(qū)環(huán)向開裂、焊縫金屬橫向開裂最主要的誘因就在于接頭存在較大的殘余拉應力2。眾多學者已通過試驗3或數(shù)值模擬4來研究焊接殘余應力,但多是針對非封閉焊縫,而對封閉型環(huán)焊縫的研究較少。對兩種奇特封閉環(huán)焊縫分別建立三維有限元模型,使用有限元軟件ABAQUS對焊縫多道焊的熱循環(huán)過程和殘余應力場的分布進行模擬分析,并對此結果進行討論,以期對研究具有封閉焊縫的焊接結構失效提供參考。
　　1封閉焊縫二種模型
　　圖1和圖2分別為鑲塊封閉焊縫和接管封閉焊縫的二種模型,結構和焊縫坡口尺寸如圖所示。環(huán)焊縫焊接采用四道焊完成,詳細的焊接工藝參數(shù)見表1。待焊件材料為奧氏體不銹鋼SS316L,為防止熱影響區(qū)晶粒長大及碳化物的析出應在多道焊過程中控制較低的層間溫度(T≤150℃),焊接不進行預熱處理和焊后熱處理。
　　

　　
　　2有限元模型
　　2．1有限元網(wǎng)格
　　根據(jù)圖1,圖2的結構參數(shù)建立三維有限元模型。在焊縫區(qū)域,為考慮準確描述較大的溫度梯度,需要密劃焊縫區(qū)域網(wǎng)格。
　　2．2材料參數(shù)
　　模型材料選用316L奧氏體不銹鋼,其熱、力學性能參數(shù)見圖3,潛熱為300kJ/kg,固相線1420℃,液相線1460℃。對材料在高溫(尤其指熔點及以上)的熱力性能假設可見文獻6,ABAQUS可以簡單地通過設定退火溫度來描述材料的熔化后狀態(tài)的無應力狀態(tài)。
　　
　　
　　2．3高斯分布移動熱源的實現(xiàn)
　　考慮到計算精度和計算效率,文中將焊接熱源看成隨焊接電弧中心移動的高斯分布熱源作用于焊道單元的表面,而在同一時間厚度方向熱流恒定,在ABAQUS中,結合Fortran語言編寫的用戶子程序進行計算分析。電弧沿焊縫圓周作單向均勻運動,則輸入的高斯分布為7
　　
　　式中:u,I,v分別是電弧電壓、電流和電弧移動速度;r,η分別是點(R,0)到電弧中心的距離和電弧熱效率系數(shù),焊條電弧焊取η為0.75O0,=0;rb是電弧有效加熱半徑;Parc為電弧功率,P0為電弧最大功率。熱源在子程序中通過焊接時間的變化和焊接速度來表示熱源的移動。多道焊焊料的填充是隨著時間和電弧的移動而實時積累的,這通過ABAQUS中的單元“生死”技術可以實現(xiàn)。
　　2．4邊界條件
　　熱場分析中,模型的上下表面、接管的內(nèi)外表面均考慮對流和輻射邊界條件,對流系數(shù)取10W/m2K,輻射發(fā)射率為0.85。焊件初始溫度取室溫。應力分析保證模型不發(fā)生剛性移動即可。
　　2．5驗證
　　為驗證分析方法的有效性,以Murugan8對于304不銹鋼平板對接多道焊試驗測量所得的殘余應力值做為驗證依據(jù),根據(jù)其試驗試樣、焊接工藝8建立有限元模型分析。焊后用X射線衍射法測量殘余應力。圖4為板上下表面中央（垂直焊縫）橫向殘余應力測量值與模擬結果的比較。可以看出,模擬所得到的應力分布規(guī)律與試驗測得基本相同,考慮到有限元離散化和材料數(shù)據(jù)不足等原因,模擬值與試驗測得值存在一些偏差,但這種偏差是可以接受的。
　　
　　3結果分析與討論
　　3．1封閉環(huán)焊縫多道焊熱循環(huán)
　　對于封閉型焊縫,由于每一道焊縫的起焊/收弧點重疊,因而此局部區(qū)域在一道焊中會經(jīng)受兩次升降溫過程,總的熱循環(huán)次數(shù)是遠離此區(qū)域的兩倍。為說明封閉焊多道焊的熱循環(huán)過程,在鑲塊封閉焊模型圓盤上表面選擇三個參考點進行分析A,B,C詳見圖5(A:=0°,r=240mm;B:=0°,r=240mm;C:0=0°,r=240mm)。圖6為第二道的熱循環(huán)過程,由圖中可以看到,A,B兩點在起焊/收弧區(qū)域,在進行一道焊的期間會出現(xiàn)兩次峰值溫度,而遠離起焊位置的C點每道焊接則僅會出現(xiàn)一次升降溫過程。所以,在起焊區(qū)域的受熱狀況較其他區(qū)域更為復雜,由此會帶來此區(qū)域的焊接殘余應力的不同值得關注。另外,近焊縫處的A,C點由于接近焊接熱源,其溫度峰值較高,局部區(qū)域存在著較大的溫度梯度及變化率,形成了焊縫熱影響區(qū),此區(qū)域的焊后殘余應力分布也是相當復雜的。
　　

　　3．2鑲塊封閉焊模擬結果討論
　　圖7是鑲塊封閉焊焊后上表面環(huán)向殘余應力的分布。可以看出,在環(huán)焊縫起焊/收弧區(qū)域熱影響區(qū)和焊縫的環(huán)向上存在較大的拉應力,塑性變形區(qū)域較寬,且多出現(xiàn)在鑲塊側(cè)。一旦焊件表面存在由于組織變化、機械加工、腐蝕作用所引起的表面裂紋,在殘余拉應力的作用下,很容易發(fā)生裂紋的擴展。鑲塊側(cè)由于處于平面內(nèi)完全約束狀態(tài),非均布的熱循環(huán)造成鑲塊側(cè)應力狀態(tài)更為復雜。在化工容器安全檢測中,有時發(fā)現(xiàn)在熱影響區(qū)表面垂直于焊縫且已有擴展的微裂紋,嚴重的已出現(xiàn)宏觀裂紋,屬熱影響區(qū)徑向裂紋,而較大的環(huán)向拉應力是誘發(fā)此裂紋并最終導致開裂的主要誘因9。
　　
　　
　　圖7上表面環(huán)向殘余應力分布
　　圖7顯示環(huán)焊縫起焊區(qū)域的應力分布具有局部性。為考察遠離起焊位置的焊縫及其熱影響區(qū)殘余應力的分布,分別在遠離起焊位置處的上下表面做兩條參考路徑Path1和Path2（圖5）。圖8a,b分別為兩條路徑徑向和環(huán)向的應力分布。可以看出,圓盤鑲塊環(huán)焊縫焊后殘余應力在鑲塊中心部位以及焊縫熱影響區(qū)附近存在峰值應力,尤其在焊縫熱影響區(qū),Rt為環(huán)向拉應力,Rr為徑向壓應力,這種徑向受壓而環(huán)向受拉的狀態(tài)會驅(qū)使焊縫產(chǎn)生徑向裂紋并發(fā)生擴展。
　　
　　
　　3．3接管封閉焊模擬結果討論
　　接管封閉焊模型環(huán)焊縫由于接管的存在會受到焊縫面外即圓盤軸向上的約束,故其殘余應力的分布與鑲塊封閉焊縫的分布是不同的,見圖9所示的環(huán)向應力分布。其高應力區(qū)也出現(xiàn)在環(huán)焊縫的起焊區(qū)域,而且主要出現(xiàn)在圓盤板側(cè),接管側(cè)應力水平較低,圓盤上的環(huán)向應力由熱影響區(qū)的拉應力沿徑向向外逐漸降低,甚至過渡到壓應力,這樣的應力分布往往會造成結構在軸向上的變形。由于環(huán)向上較大范圍的高應力分布,接管封閉焊模型相比鑲塊封閉焊模型更容易引起徑向裂紋的生成和擴展。
　　
　　圖9接管封閉焊模型上表面環(huán)向殘余應力分布
　　4結論
　　（1）ABAQUS軟件結合用戶子程序獲得了三維封閉環(huán)焊縫多道焊焊接結構的熱循環(huán)與殘余應力場,其數(shù)值模擬方法經(jīng)與試驗測量數(shù)據(jù)比較,驗證了該方法的準確性,可以作為焊接結構多道焊焊接過程殘余應力分析的數(shù)值方法。
　　（2）由于封閉環(huán)焊縫結構自身存在較大的自拘束,致使焊后殘余應力值相對較高,鑲塊模型的鑲塊側(cè)與接管模型的板側(cè)焊縫與熱影響區(qū)應力分布復雜,具有較大范圍的殘余拉應力分布需要加以關注。
　　(3)環(huán)焊縫由于焊縫的閉合性使得起焊、收焊區(qū)域受到更多的熱循環(huán),從而誘發(fā)了較大的殘余應力,焊縫區(qū)域環(huán)向應力為拉應力,是徑向裂紋擴展的主要驅(qū)動力,故而需要注意采取措施以提高焊接質(zhì)量來降低裂紋形成和擴展的可能性。