焊接熱輸入對殘余應(yīng)力影響的盲孔法測試與數(shù)值分析

何雄君, 宋 淵 ,肖 祥, 王進(jìn)軍

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.中交二航局六公司，湖北 武漢 430014)

0 引 言

目前世界上已經(jīng)建成了很多斜拉橋，斜拉橋可以有各種各樣的形式，但主體都為3個部分：塔柱、斜拉索、主梁[1]。錨拉板作為連接主梁與斜拉索的裝置，在斜拉橋運(yùn)營階段起著至關(guān)重要的作用。筆者以西固大橋為背景，探究西固大橋錨拉板焊接殘余應(yīng)力與焊接熱輸入的關(guān)系。錨拉板由鋼材焊接而成，其主要的焊接形式為T型構(gòu)件多道焊焊接，因此，T型構(gòu)件多道焊焊接是錨拉板焊接中需要著重考慮的關(guān)鍵技術(shù)之一。焊接是鋼材之間結(jié)合時金屬材料迅速升溫隨即又迅速降溫的過程，焊接后不可避免地會在焊縫及焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力的存在會使錨拉板產(chǎn)生一定的變形，對后期安裝的精度產(chǎn)生影響；焊接殘余應(yīng)力還會影響錨拉板的承載能力與疲勞強(qiáng)度[2]。而錨拉板T型構(gòu)件多道焊中，焊接熱輸入是一個對焊接殘余應(yīng)力影響較大的因素。

目前，在錨拉板T型構(gòu)件多道焊中關(guān)于焊接熱輸入沒有一個明確的界定，基本是工人自身的工作經(jīng)驗確定。而焊接熱輸入對焊接殘余應(yīng)力會產(chǎn)生很大的影響，因此，若能掌握焊接熱輸入對錨拉板T型構(gòu)件多道焊焊接殘余應(yīng)力的影響，對于斜拉橋的建設(shè)顯得尤為重要。

利用ANSYS軟件的數(shù)值模擬方法測量焊接殘余應(yīng)力具有成本低、勞動量小的優(yōu)點(diǎn)，已有很多學(xué)者運(yùn)用該方法對焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了仿真模擬，但大部分是針對單道焊縫焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬[3]。然而實際錨拉板T型構(gòu)件是分道焊接而成，由于分道焊接時，后面焊層會對前面已經(jīng)施焊焊層產(chǎn)生熱影響，該影響又是不確定的，故多道焊縫比單道焊縫焊接殘余應(yīng)力分布要復(fù)雜得多。運(yùn)用ANSYS軟件揭示多道焊焊接而成的錨拉板T型構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力與焊接熱輸入之間的關(guān)系，指導(dǎo)斜拉橋錨拉板焊接工藝，將具有很大的工程意義。

1 有限元模型

1.1 模型的建立

筆者以西固大橋為背景，斜拉橋錨拉板的體積較大，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS模擬整個錨拉板的焊接對計算機(jī)的硬件要求很高，也需要很長的計算時間[4]。因為錨拉板的主要焊接形式為T型焊接，為了能較好的反應(yīng)錨拉板的焊接殘余應(yīng)力也避免對計算機(jī)硬件過高的要求，可以將錨拉板焊接的仿真分析轉(zhuǎn)化為T型構(gòu)件焊接的仿真分析。

T型構(gòu)件的尺寸為：水平板400 mm×400 mm×36 mm，豎向板400 mm×400 mm×40 mm，模型主要采用8節(jié)點(diǎn)6面體單元，有少量的6節(jié)點(diǎn)5面體單元。運(yùn)用ANSYS軟件中的網(wǎng)格劃分命令對T型焊接構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在不影響計算結(jié)果的前提下可以對網(wǎng)格劃分進(jìn)行優(yōu)化，同時可以減少計算時間。 T型構(gòu)件可以分為3個區(qū)域：焊縫區(qū)、靠近焊接區(qū)、遠(yuǎn)離焊縫區(qū)。由于熱源對3個區(qū)域的影響作用依次減弱，故3個區(qū)域的網(wǎng)格密度也相應(yīng)地減小。劃分后的模型共有6 189個節(jié)點(diǎn)，13 851個單元，如圖1。

圖1 典型T型構(gòu)件ANSYS模型Fig. 1 ANSYS model of typical T-type component

1.2 溫度場

焊接是金屬材料局部迅速升溫，隨即又迅速降溫的過程。在焊接過程中隨著熱源的移動，焊接構(gòu)件的溫度會由于時間和空間的不同而發(fā)生劇烈的變化，構(gòu)件的某些部位還會有受熱屈曲的現(xiàn)象。焊接過程中金屬的材料特性會發(fā)生變化，因此焊接過程中溫度場的分析是典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題，有限元中三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題的控制方程為[5]

(1)

式中：λ為金屬的導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度；x,y,z分別為T型構(gòu)件中垂直于焊縫方向、沿焊縫的方向和豎向板的方向；Q為熱源大小；ρ為金屬材料的密度；c為比熱容；t為焊接至金屬冷卻的時間。

導(dǎo)熱過程中通常運(yùn)用以下3類邊界條件[6]。

第1類為溫度邊界條件，表達(dá)式為

Ts=Ts(x,y,z,t)

(2)

第2類為熱流邊界條件，表達(dá)式為

(3)

第3類為對流換熱邊界條件，表達(dá)式為

(4)

1.3 熱源的選擇

西固大橋錨拉板的焊接形式為手工電弧焊，故選用高斯分布的熱源來進(jìn)行模擬實際熱源，高斯熱源的分布函數(shù)為[7]

(5)

式中：R為電弧有效加熱半徑；r為焊件上任意點(diǎn)至電弧中心的距離；η為焊接熱效率；U為焊接時的電壓；I為焊接時的電流。

運(yùn)用ANSYS軟件模擬一條焊縫的5道焊，即完整的一條焊縫是分5道焊接而成的，采用生死單元法來實現(xiàn)該過程，模型建立時將T型構(gòu)件以及5道焊縫全部建立起來。然后賦予第1道焊縫焊接材料并施加熱源，其余道焊縫則不賦予材料，不起焊縫的作用；當(dāng)賦予第2道焊縫材料并施加熱源時則第3道及后面的焊縫也不起焊縫的作用。按照此方法依次完成對5道焊縫和熱源的施加，即完成了一條完整的焊縫，實現(xiàn)5道焊的焊接工藝。

2 有限元及實際測量結(jié)果分析

2.1 有限元分析

筆者以T型構(gòu)件焊接為例(每條焊縫為5道焊)，研究焊接熱輸入對多道焊焊接殘余應(yīng)力的影響。焊接中選用的材料為Q370qE橋梁鋼，在焊接中，母材的相關(guān)參數(shù)會由于溫度的變化發(fā)生一定的變化，運(yùn)用ANSYS模擬的母材參數(shù)變化如表1。

表1 母材參數(shù)Table 1 Base material parameter

多道焊的焊接順序如圖2，圖中①、②表示兩條焊縫，每條焊縫有5道，焊縫為從內(nèi)到外依次施焊。

圖2 焊接順序Fig. 2 Welding sequence

實際上，隨著焊接的進(jìn)行，金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變有一個復(fù)雜的變化過程。筆者首先將焊絲中輸入的熱量轉(zhuǎn)換為金屬材料的溫度場，再將溫度場轉(zhuǎn)換為應(yīng)力場，最后利用在有限元模型中設(shè)置的節(jié)點(diǎn)提取該節(jié)點(diǎn)的焊接殘余應(yīng)力。

2.2 焊接殘余應(yīng)力的測量

對焊接殘余應(yīng)力的測量已存在多種測量方法[8]，總體可以分為機(jī)械測量方法和物理測量方法。機(jī)械測量方法主要有截條法、剝層法、盲孔法等。機(jī)械測量方法的原理是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞性試驗，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變會有相應(yīng)的變化，通過檢測這些變化即可求得殘余應(yīng)力的大小。機(jī)械測量方法的優(yōu)點(diǎn)是測量結(jié)果較為精確，缺點(diǎn)是會對構(gòu)件產(chǎn)生一定的損傷。物理測量方法[9]主要有X射線法、超聲波法、磁測法等，物理測量方法的原理是結(jié)構(gòu)受力會影響結(jié)構(gòu)的某些物理性能。而這些物理性能的改變可以由一定的參數(shù)變化反應(yīng)出來，通過測量這些參數(shù)變化經(jīng)過換算就可得到結(jié)構(gòu)的受力情況[10]。物理測量方法的優(yōu)點(diǎn)是不會對構(gòu)件有損害，但缺點(diǎn)是測量結(jié)果與構(gòu)件實際的受力狀況會有一定的偏差。

為保證試驗的質(zhì)量，筆者運(yùn)用對被測構(gòu)件損傷較小且測量精度較高的盲孔法[11]來測量構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力。盲孔法的測量原理是在構(gòu)件的表面粘貼應(yīng)變花，然后在相應(yīng)的位置鉆取一定孔徑的圓孔，此時構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力會因為鉆孔而發(fā)生變化進(jìn)而有相應(yīng)應(yīng)變的變化。應(yīng)變花會識別應(yīng)變的變化，有了應(yīng)變，利用彈塑性力學(xué)等相關(guān)理論即可算得該殘余應(yīng)力的大小。實際中的焊接構(gòu)件及測量中測點(diǎn)布置如圖3。

圖3 焊接實物及測點(diǎn)布置Fig. 3 Welding object and measuring points layout

2.3 實測結(jié)果與軟件計算結(jié)果對比

實際焊接中運(yùn)用的相關(guān)工藝參數(shù)如表2。

表2 焊接參數(shù)Table 2 Welding parameters

采用實際中的焊接工藝，運(yùn)用盲孔法測得的沿焊縫方向的橫、縱殘余應(yīng)力與運(yùn)用ANSYS模擬實際焊接中調(diào)取的沿焊縫方向的橫、縱向應(yīng)力的比較如圖4。

圖4 焊接殘余應(yīng)力實測與數(shù)值模擬對比Fig. 4 Comparison of welding residual stress measurement and numerical simulation

從圖4中可以得到，用軟件計算的結(jié)果與盲孔法實測的結(jié)果雖然有一定的偏差，但總體比較吻合，焊接殘余應(yīng)力的趨勢一致，從而說明了運(yùn)用ANSYS軟件模擬該焊接工藝進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測的可行性。圖4(a)顯示，沿著焊縫方向的橫向殘余應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力的范圍比較小，橫向殘余應(yīng)力基本以焊縫中間成對稱布置，拉應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在距焊縫起點(diǎn)約50 mm處，拉應(yīng)力的大小約為4 MPa；圖4(b)顯示，沿焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力在起弧、收弧的地方表現(xiàn)為壓應(yīng)力，其余地方表現(xiàn)為拉應(yīng)力，拉應(yīng)力的最大值約在焊縫中間出現(xiàn)，大約為135 MPa，縱向殘余應(yīng)力也基本以焊縫中間呈對稱布置。圖4的結(jié)果還可以得到，焊接材料的縱向殘余應(yīng)力要大于橫向殘余應(yīng)力。

3 焊接熱輸入對焊接殘余應(yīng)力影響

第2節(jié)中實測結(jié)果與軟件分析結(jié)果比較吻合，說明用ANSYS軟件模擬該焊接工藝進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測的可行性。筆者將實際中的焊接熱輸入做上下調(diào)動，即形成了其余參數(shù)不變，焊接熱輸入分別為1 226、1 716 、2 860 J/mm的3組試驗，3組試驗編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，焊縫熱輸入分組如表3。

表3 焊縫熱輸入分組Table 3 Group of welding heat input

運(yùn)用ANSYS軟件對上述3組試驗進(jìn)行仿真分析，下面提取3組試驗沿焊縫方向的橫、縱向殘余應(yīng)力的結(jié)果進(jìn)行對比分析來說明焊接熱輸入對焊接殘余應(yīng)力的影響。運(yùn)用ANSYS模擬的3組不同熱輸入的應(yīng)力云圖如圖5，沿焊縫方向的橫、縱向殘余應(yīng)力的對比如圖6。

圖5 不同焊接熱輸入的殘余應(yīng)力云圖Fig. 5 Residual stress nephogram with different welding heat input

圖6 不同焊接熱輸入下數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig. 6 Comparison of numerical simulation results with different welding heat input

由圖6(a)可知，當(dāng)焊接熱輸入增加時，沿焊縫方向的橫向殘余應(yīng)力中的拉應(yīng)力區(qū)域會變小，橫向殘余應(yīng)力有向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化的趨勢。在焊縫的起、收弧處的橫向殘余應(yīng)力變化很小，原因可能是在焊縫起、收弧處焊接材料有自由面，熱量可以與外界交換，故其受焊接熱輸入的影響不明顯。當(dāng)焊接熱輸入增加時，橫向殘余應(yīng)力有減小的趨勢，總體來說，焊接熱輸入對沿焊縫方向的橫向殘余應(yīng)力影響較小。由圖6(b)可知，縱向焊接殘余應(yīng)力峰值基本處于焊縫的中間，隨著焊接熱輸入的增加，縱向焊接殘余應(yīng)力的峰值在增大。當(dāng)焊接熱輸入由1 226 J/mm增加到1 716 J/mm時，縱向焊接殘余應(yīng)力最大值增加了約22 MPa；焊接熱輸入由1 716 J/mm增加到2 860 J/mm時，縱向焊接殘余應(yīng)力最大值增加了約8 MPa，故縱向焊接殘余隨著焊接熱輸入的增加會增大，但應(yīng)力增大的幅度會變小。

4 結(jié) 論

通過對T型構(gòu)件焊接情況的數(shù)值模擬與實際盲孔測試法的比較以及對不同焊接熱輸入下T型構(gòu)件多道焊的焊接情況進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)過比較、分析，可得到如下的結(jié)論：

1)運(yùn)用ANSYS軟件對焊接構(gòu)件進(jìn)行數(shù)值模擬得到的焊接殘余應(yīng)力值與測量精度較高的盲孔法測量殘余應(yīng)力值相符，說明了運(yùn)用此軟件模擬該焊接工藝的可行性，這可以節(jié)省很大的財力與物力。

2)焊接構(gòu)件起、收弧與外界接觸處的有效殘余應(yīng)力小于其余區(qū)域的有效殘余應(yīng)力，說明焊接的邊界對焊接的結(jié)果會有一定的影響。

3)焊接熱輸入對焊縫方向橫向殘余應(yīng)力的影響較小，對縱向殘余應(yīng)力的影響較大；隨著焊接熱輸入的增加縱向殘余應(yīng)力會增大，橫向殘余應(yīng)力會減小，但應(yīng)力變化的幅度會減小。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 陳明憲.斜拉橋的發(fā)展與展望[J].中外公路,2006,26(4):76-86.

CHEN Mingxian. The development and prospect of cable-stayed bridge [J].JournalofChina&ForeignHighway, 2006, 26(4): 76-86.

[2] 劉小渝,劉秀偉. 斜拉橋鋼錨拉板區(qū)域焊接應(yīng)力消除試驗研究[J].公路交通科技,2008(11):82-86,91.

LIU Xiaoyu, LIU Xiuwei. Experimental study on releasing welding residual stress in steel tensile anchor plate area of cable-stayed bridges [J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2008(11): 82-86, 91.

[3] 趙東升,劉玉君,孫敏科,等.碳鋼與304不銹鋼焊接殘余應(yīng)力的計算[J].焊接學(xué)報,2012,33(1):93-95,117-118.

ZHAO Dongsheng, LIU Yujun, SUN Minke, et al. Calculation welding of residual stress of carbon steel and 304 stainless steel [J].TransactionsoftheChinaWeldingInstitution, 2012, 33(1): 93-95, 117-118.

[4] 馬思群,袁永文,馮良波,等.焊接速度對鋁合金多道焊焊接殘余應(yīng)力影響研究[J].鐵道學(xué)報,2014,36(1):16-21.

MA Siqun, YUAN Yongwen, FENG Liangbo, et al. Research on effect of welding speed on aluminum alloy multi-pass welding residual stress [J].JournaloftheChinaRailwaySociety, 2014, 36(1): 16-21.

[5] 汪建華.焊接數(shù)值模擬技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 上海:上海交通大學(xué)出版社,2003: 16-20.

WANG Jianhua.WeldingNumericalSimulationTechnologyandItsApplication[M]. Shanghai: Profile of Shanghai Jiaotong University Press, 2003: 16-20.

[6] 趙秋,吳沖.U肋加勁板焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬分析[J].工程力學(xué),2012,29(8):262-268.

ZHAO Qiu, WU Chong. Numerical analysis of welding residual stress of U-RIB stiffened plate[J].EngineeringMechanics, 2012, 29(8): 262-268.

[7] 肖馮,米彩盈.T型角接頭焊接熱源模型研究[J].電焊機(jī),2010,40(6): 41-45.

XIAO Feng, MI Caiying. Study on heat source model for T-joint fillet weld [J].ElectricWeldingMachine, 2010, 40(6): 41-45.

[8] 張根樹,張穎.常用焊接殘余應(yīng)力測量方法的探究[J].科技信息,2012,32: 637.

ZHANG Genshu, ZHANG Ying. Research on ordinary measure method of welding residual stress[J].Science&TechnologyInformation, 2012, 32: 637.

[9] 沈軍,林波,遲永剛,等.殘余應(yīng)力物理法測量技術(shù)研究狀況[J].材料導(dǎo)報,2012,26(1):120-125.

SHEN Jun, LIN Bo, CHI Yonggang, et al. Research status of residual stress physical method measurement techniques[J].MaterialsReview, 2012, 26(1): 120-125.

[10] 王慶明,孫淵.殘余應(yīng)力測試技術(shù)的進(jìn)展與動向[J].機(jī)電工程,2011,28(1):11-15,41.

WANG Qingming, SUN Yuan. Research development on the test methods of residual stress[J].Mechanical&ElectricalEngineeringMagazine, 2011, 28(1): 11-15, 41.

[11] 王超逸,呂丹,蘇洪英,等.測定鋼板殘余應(yīng)力的改進(jìn)盲孔法[J].理化檢驗(物理分冊),2015,51(11):781-783

WANG Chaoyi, LV Dan, SU Hongying, et al. Improved blind-hole method of measuring residual stress of steel plates[J].PhysicalTestingandChemicalAnalysisPartA(PhysicalTesting), 2015, 51(11): 781-783.