對流換熱系數(shù)對厚板焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變研究

何雄君，何江源

(武漢理工大學 交通運輸學院，湖北 武漢 430060)

對流換熱系數(shù)對厚板焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變研究

何雄君，何江源

(武漢理工大學 交通運輸學院，湖北 武漢 430060)

主要考察了對流換熱系數(shù)對厚板對接焊殘余應(yīng)力應(yīng)變的影響，從而對現(xiàn)有的重要焊接構(gòu)件(如橋梁大型錨拉板)的冷卻方式給出參考，利用ABAQUS軟件對焊接構(gòu)件進行有限元模擬計算，通過改變對流換熱系數(shù)數(shù)值大小來模擬冷卻速度對厚板焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變的影響。研究表明：焊接區(qū)在不同冷卻速度下計算結(jié)果沒有數(shù)量級的差異，并且發(fā)現(xiàn)對流換熱系數(shù)與構(gòu)件焊后殘余應(yīng)力應(yīng)變的影響也并非為單調(diào)線性的關(guān)系，在某一適中的對流換熱系數(shù)條件下，厚板焊接的殘余應(yīng)力應(yīng)變可以達到最小。

橋梁工程；焊接；對流換熱系數(shù)；殘余應(yīng)力應(yīng)變；X坡口平板對焊；生死單元

0 引 言

焊接是制造整體鋼構(gòu)件的重要環(huán)節(jié)，在許多重要的鋼結(jié)構(gòu)中，焊接的質(zhì)量直接影響了結(jié)構(gòu)的安全性，所以，在制作拼接較重要的受力構(gòu)件時，如大型斜拉橋的錨拉板，過大的焊接殘余應(yīng)力會使材料使用產(chǎn)生隱患，筆者針對該類隱患，研究了不同對流換熱系數(shù)下對焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變的影響，評價了對流換熱系數(shù)對厚板焊接時殘余應(yīng)力應(yīng)變的影響程度。

對流換熱是日常高溫物體冷卻的主要原因，介質(zhì)、流動性、溫差等都會對其產(chǎn)生比較大的影響，焊接板焊縫區(qū)與周圍環(huán)境發(fā)生熱交換過程的速率可直接由對流換熱系數(shù)反映。目前國內(nèi)外大量學者從熱學的角度對該系數(shù)進行了比較充分的研究，對于對流換熱系數(shù)在不同條件下的取值，擁有了比較全面的數(shù)據(jù)。然而關(guān)于這一數(shù)值的改變所引起的力學問題卻鮮有研究，由于在不同環(huán)境中的對流換熱系數(shù)的取值差距非常顯著(物體在空氣中的對流換熱系數(shù)視情況取為3～100，在水中取為200～15 000)，這一系數(shù)對焊接后的殘余應(yīng)力應(yīng)變影響情況還不太明確，因此筆者分別立足于厚板焊接的殘余應(yīng)力應(yīng)變問題，單獨研究了這一系數(shù)在不同數(shù)量級下的取值對焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變的影響，并初步評估了其影響程度，這對研究厚板焊接質(zhì)量的提高具有參考作用。

1 有限元模型

筆者采用熱-彈-塑性有限元方法來模擬Q235鋼X型坡口對接焊溫度場、應(yīng)力和變形，著重討論對流換熱系數(shù)對焊接殘余應(yīng)力和變形的影響。在熱彈塑性有限元分析中，采用熱力耦合的方式進行計算，即同時進行溫度場與應(yīng)力場的計算，然后將計算結(jié)果加入到應(yīng)力計算模型中進行應(yīng)力、應(yīng)變和變形的求解。模擬采用的焊件尺寸為 400 mm×800 mm×36 mm，有限元模型如圖1。為了兼顧計算精度和計算效率，在網(wǎng)格劃分時，近焊縫區(qū)劃得細密，遠焊縫區(qū)劃得相對粗大。有限元模型的節(jié)點總數(shù)14 484，單元總數(shù)為23 250。筆者運用 ABAQUS/Standard 通用分析模塊求解溫度場和應(yīng)力場。在溫度場計算的過程中，采用8節(jié)點6面體單元DC3D6T來進行計算，在應(yīng)力場計算的過程中，采用與溫度場對應(yīng)的8節(jié)點6面體單元C3D6I來進行計算。

圖1 網(wǎng)格化分Fig. 1 Mesh of the model

1.1 熱分析

在溫度場計算時，常見的熱源模型有高斯熱源和雙橢球熱源模型，由于熱源模型對焊件的殘余應(yīng)力影響不大[1]，本模型共計11道焊縫(圖2)，根據(jù)實際焊接熱源的移動特點和電弧的能量分布規(guī)律，選用J. GOLDAK等[2]提出的雙橢球熱源模型來模擬焊接熱輸入，并采用生死單元的處理方法。除了考慮工件中的熱傳導外，同時還考慮了熔池的結(jié)晶潛熱。由于焊縫金屬與母材的熱物理性能差別很小，筆者假定整個有限元模型具有與母材相同的熱物理性能參數(shù)[3]。在模型中，利用牛頓法則和波爾茨曼定律分別考慮了工件與外部環(huán)境的對流和輻射[4]。

圖 2 坡口形式及焊道布置Fig. 2 Groove form and arrangement of weld passes

在建模過程中，根據(jù)一般焊接情況，設(shè)置每一道焊縫的冷卻時間為100 s，由于對流換熱系數(shù)為20時冷卻速度相對較慢，故為其設(shè)置了10 000 s的最終冷卻時間，以便更接近終態(tài)，其它兩個模型最終的冷卻時間設(shè)置為3 000 s[5]。

在焊接溫度場傳熱分析中，散熱邊界條件考慮對流散熱和輻射散熱兩種熱傳導方式[6]。熱循環(huán)過程中，在熔池周圍輻射熱損失占主導地位，而遠離熔池的母材區(qū)域?qū)α鳠釗p失占主導地位，筆者采用等效對流散熱系數(shù)來表示這兩種散熱導致的熱損失，其中等效對流換熱系數(shù)h描述如下：

(1)

式中：T0為初始壞境溫度，常溫下T0=293 K；ε為輻射系數(shù)，取值為0.8；σ為史蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，取值為5.67×10-8J/(m2K4s)。文中對流換熱占據(jù)主導地位。

焊接材料以Q235鋼為例，其各項參數(shù)如表1。

表1 Q235鋼材料特性Table 1 Characteristics of Q235 steel

1.2 應(yīng)力與變形計算

在熱力耦合計算中，忽略應(yīng)力應(yīng)變對熱分析的影響，將溫度場計算結(jié)果作為荷載施加到力學模型上，求解殘余應(yīng)力[7]。在應(yīng)力計算中，采用Mises屈服準則，忽略相變應(yīng)變和加工硬化對殘余應(yīng)力的影響。模型的焊接變形包括角變形、橫向收縮及縱向收縮，本實驗主要考察角變形引起的豎向位移分量U3[8]。

1.3 邊界條件和初始條件

其力學邊界條件如圖3，考慮到真實的焊接情況，CD平面限制沿z方向的位移(翻轉(zhuǎn)后為AB平面)，并同時給與鋼板兩個側(cè)面以xy的雙向約束。默認坐標系為：沿焊縫為x方向，垂直于焊接板面為z方向，沿鋼板側(cè)面為y方向。初始溫度設(shè)置為20oC，輻射換熱系數(shù)取0.8，對流換熱系數(shù)取值分別為20、200、2 000 J/(m2·s·℃)3個級別。

圖3 邊界條件
Fig. 3 Boundary conditions

2 計算結(jié)果與分析

2.1 焊接中心區(qū)溫度變化規(guī)律

圖4為焊接中心區(qū)域溫度變化規(guī)律，由圖4可見，當對流換熱系數(shù)取20，接近弱對流空氣中的情況時，焊接板冷卻至常溫時間達到1 h以上，而在對流換熱系數(shù)取2 000時，此時比較接近在強對流水中冷卻的情形，冷卻至常溫只需數(shù)分鐘。對流換熱系數(shù)每增加一個量級，冷卻至常溫的時間將縮短60%以上。不同的冷卻環(huán)境對焊接過程溫度變化影響顯著，在這一不同冷卻環(huán)境下，我們需要進一步研究對流換熱對其他因素的影響。

圖4 不同對流換熱系數(shù)下溫度變化Fig. 4 Temperature changing with different convective heat transfer coefficients

2.2 對流換熱系數(shù)對殘余應(yīng)力及變形的影響

圖5為不同冷卻條件下焊接板中剖面的變形云圖，剖面法向為x方向。圖中顯示的是沿z方向的位移，由圖5可見，在未考慮鋼板自重的情況下，鋼板的最大與最小位移均位于焊縫中，其變形均很小。當對流換熱系數(shù)越大時，其相對位移的最大值越小。但對比這3組云圖看來，小的對流換熱系數(shù)會導致溫度對位移影響的范圍變大，其主要原因是過慢的冷卻使得高溫區(qū)的彈性模量處于較低值，更容易隨時間推移產(chǎn)生微小變形。

圖5 不同對流換熱系數(shù)下的變形Fig. 5 Deformation with different convective heat transfer coefficients

圖6為不同對流換熱系數(shù)下，焊接板的殘余應(yīng)力分布，從圖6可見，焊接板只受主拉應(yīng)力，并主要集中在焊接區(qū)域,如圖7。為了進一步了解殘余應(yīng)力在不同位置的分布情況，分別對焊接板沿y方向-0.4、-0.3、-0.2、-0.1、0、0.1、0.2、0.3、0.4 m處9個切面取某相同單元進行應(yīng)力觀察，數(shù)據(jù)如圖8。

綜合圖6～圖8可知：

1)在焊接的中心區(qū)域均存在較大的殘余拉應(yīng)力，且遠離焊縫和熱影響區(qū)的應(yīng)力逐漸遞減，所有單元均未出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力。對于對稱坡口，先焊一面會對后焊一面產(chǎn)生約束，因而后焊面殘余應(yīng)力峰值要大于先焊面。

2)3種情形的最大應(yīng)力值相差不大，事實上其相差范圍均在100 MPa以內(nèi)。前人經(jīng)驗表明，隨著對流換熱系數(shù)的減小，殘余應(yīng)力有所減小，但本次實驗中，隨著對流換熱系數(shù)的改變，應(yīng)力峰值并不是呈單調(diào)線性變化，這與經(jīng)驗中所猜想的情況有所出入。原因是過慢的冷卻會導致高溫區(qū)對鋼板的影響時間變長，這也是造成殘余應(yīng)力增大的因素之一。

3) 3種對流換熱系數(shù)下，殘余應(yīng)力峰值均在230 MPa左右，超過了Q235的屈服應(yīng)力，說明Q235鋼材不適合此種類型的平板對接，需要重新設(shè)計焊接方案或者采用更高強度的鋼材。

圖6 不同對流換熱系數(shù)下的主應(yīng)力Fig. 6 Principal stress with different convective heat transfer coefficients

圖7 不同對流換熱系數(shù)下的主應(yīng)力Fig. 7 Principal stress at different convective heat transfer coefficient

圖8 不同對流換熱系數(shù)下的切片內(nèi)力影響Fig. 8 Influence of section internal force with different convective heat transfer coefficients

3 結(jié) 語

在36 mm厚壁鋼板進行X坡口對接焊時，焊后在靠近焊縫區(qū)域會出現(xiàn)較大的殘余拉應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力隨著遠離焊縫迅速減小，未出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力。在不同對流換熱系數(shù)下，焊接板的殘余應(yīng)力不會出現(xiàn)單調(diào)性的變化，過慢的冷卻會使局部高溫區(qū)的影響時間增加，過快的冷卻會使局部溫差增大，這些因素都會導致殘余應(yīng)力的增加。另外殘余變形程度直接受對流換熱系數(shù)的影響，快速的冷卻可以降低變形值。所以應(yīng)該采取合適的焊接工藝或者控溫措施，使焊接板的冷卻速度在一個合適的范圍內(nèi)。

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ResidualStressandStrainofConvectiveHeatTransferCoefficientonThickPlateWelding

HE Xiongjun, HE Jiangyuan

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430060, Hubei, P.R.China)

The impact of convective heat transfer coefficient on the residual stress and strain of butt welding was mainly investigated. Therefore, the reference for the cooling method of the existing important welding components (such as the bridge large tensile anchor plate) was given. The finite element simulation calculation of the welding parts was carried out by ABAQUS software, and the numerical value of convective heat transfer coefficient was changed to simulate the impact of cooling speed on residual stress and strain of thick plate welding. The research shows that: the calculation results of the welding zone with different cooling speed have no difference in magnitude, and it is also found that the influence of the convective heat transfer coefficient on the residual stress and strain of the component after welding is not monotonous linear relationship. In a moderate condition of convective heat transfer coefficient, the residual stress and strain of thick plate welding can reach the minimum.

bridge engineering; welding; convective heat transfer coefficient; residual stress and strain; X groove butt joint; birth-death element

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.02

2016-04-06；

2016-12-10

國家自然科學基金項目(51178361)

何雄君(1966—)，男，湖北蘄春人，教授，博士后，主要從事橋梁安全檢測方面的研究。E-mail：1208085086@qq.com。

何江源(1991—)，男，湖北咸寧人，碩士，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail：325246264@qq.com。

U441+.5;TG40

A

1674-0696(2017)11-007-04

(責任編輯：譚緒凱)