連鑄中間包焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬①

潘龍博，張 碩，江 濟(jì)，謝慶忠，刑學(xué)強(qiáng)

（安徽馬鋼重型機(jī)械制造有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

鋼的連鑄生產(chǎn)設(shè)備主要由鋼包、中間包和結(jié)晶器3個(gè)冶金反應(yīng)器串聯(lián)布置而成。中間包過(guò)程是鋼的高效連鑄過(guò)程中關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一，對(duì)于提高連鑄機(jī)生產(chǎn)效率、改善鋼坯質(zhì)量有著重要作用［1－3］。中間包一般采用箱式結(jié)構(gòu)，使用多塊鋼板拼焊制造。焊縫數(shù)量較多且分布密集，造成了較大的焊接殘余應(yīng)力和嚴(yán)重的應(yīng)力集中。中間包焊接結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)、剛性大，對(duì)應(yīng)力集中因素非常敏感，容易在應(yīng)力集中位置出現(xiàn)脆性斷裂，并且裂紋一旦開始擴(kuò)展，就難以被止住。焊接殘余應(yīng)力與焊接開裂和變形直接相關(guān)，并且影響焊件焊后的承載能力和抵抗破壞能力［4－6］。有限元數(shù)值模擬是獲得大型焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力最有效的方法之一［7－9］。但目前對(duì)于連鑄中間包焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬研究還鮮見相關(guān)報(bào)道。本文使用有限元法，模擬計(jì)算中間包焊接殘余應(yīng)力的分布，為控制焊接接頭殘余應(yīng)力、提高焊接質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 焊接工況及材料參數(shù)

計(jì)算模型為某鋼廠連鑄中間包，尺寸為5 820 mm×2 140 mm×1 230 mm，包的側(cè)壁斜度13°。中間包由60塊鋼板和2個(gè)吊耳焊接而成，見圖1。鋼板厚度15～30 mm，包身材質(zhì)為Q345B，吊耳材質(zhì)為Q690D，其熱學(xué)和力學(xué)物理性能參數(shù)分別見文獻(xiàn)［5］和［10］。

焊接方法為CO2氣體保護(hù)焊，焊接工藝按照J(rèn)B／T 5000.3—2007《重型機(jī)械通用技術(shù)條件 第3部分焊接件》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，鋼板按GB／T 985.1—2008《氣焊、手工電弧焊及氣體保護(hù)焊焊縫坡口的基本形式與尺寸》加工焊接坡口。采用連續(xù)焊縫，焊后退火消除應(yīng)力。焊接材料使用Φ1.2 mm ER50－6焊絲。焊接使用直流反接，焊前不預(yù)熱，打底層焊接電流210～240 A，焊接電壓24～28 V，保護(hù)氣體流量8～12 L／min，填充層焊接電流230～260 A，焊接電壓26～32 V，保護(hù)氣體流量10～14 L／min。

中間包共132道焊縫，焊接時(shí)先焊內(nèi)層焊縫，后封裝外側(cè)板，最后焊外側(cè)焊縫。焊接時(shí)盡量使用平焊及橫焊，同一層焊層中，后道焊縫須壓前道焊縫寬度的1／3～1／4，且保證焊道之間的圓滑過(guò)渡。

1.2 有限元模型

有限元模型使用六面體單元和四面體單元混合網(wǎng)格劃分，共44 277個(gè)單元，34 626個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖2。為了保證計(jì)算精度和提高計(jì)算效率，在焊縫及熱影響區(qū)附近使用較細(xì)的網(wǎng)格劃分，而在遠(yuǎn)離焊縫的母材使用較粗的網(wǎng)格。焊縫處網(wǎng)格尺寸為5 mm×6.67 mm×53.6 mm。

焊接熱過(guò)程的控制方程為Fourier導(dǎo)熱方程，對(duì)于直角坐標(biāo)系，有：

式中λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度；t為時(shí)間；ρ為材料密度；c p為材料的定壓比熱；q′為內(nèi)熱源的熱流密度。由于計(jì)算模型焊縫較多，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，使用均勻熱源模型，即認(rèn)為在每道焊道中焊接熱源同時(shí)施加到焊縫中。焊接熱源的熱流密度與時(shí)間成倒三角分布，以模擬電弧的接近和離開，熱流密度D f［11］為：

式中U為焊接電壓；I為焊接電流；η為電弧熱效率；V p為受焊接熱源影響的焊縫金屬的體積。

焊接熱過(guò)程使焊接區(qū)域形成熱應(yīng)變，焊接應(yīng)力／應(yīng)變場(chǎng)的控制方程為廣義的Hooke定律：

式中｛σ｝為應(yīng)力；｛εE｝為彈性應(yīng)變；［De］為彈性矩陣。在熱?彈塑性有限元分析中，一般使用增量理論計(jì)算。總應(yīng)變?cè)隽縟ε可表示為：

式中等號(hào)右邊各項(xiàng)分別為由彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變、熱應(yīng)變引起的應(yīng)變?cè)隽俊?duì)于金屬材料，可以認(rèn)為熱膨脹是各項(xiàng)同性的：

式中α為材料的熱膨脹系數(shù)。計(jì)算中，使用Mises屈服準(zhǔn)則：

式中為等效應(yīng)力；σs為材料的屈服極限。流動(dòng)法則為Prandtl?Reuss塑性流動(dòng)增量理論：

2 結(jié)果與討論

中間包焊接殘余應(yīng)力分布如圖3所示。可以看出，在焊縫形成了較大的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力峰值約672 MPa，已經(jīng)達(dá)到材料屈服極限。在中間包吊耳和背部應(yīng)力集中較為明顯，說(shuō)明在這些位置焊接裂紋開裂較大。中間包背部為多塊鋼板拼焊而成的箱體結(jié)構(gòu)，焊縫集中，存在著顯著的殘余應(yīng)力。

圖3 焊接殘余應(yīng)力分布

焊接裂紋傾向除了與應(yīng)力大小有關(guān)，還與應(yīng)力方向有關(guān)。一般認(rèn)為只有在拉應(yīng)力作用下，裂紋才會(huì)擴(kuò)展，而殘余壓應(yīng)力可以提高工件強(qiáng)度、降低開裂傾向。為了研究中間包背部殘余應(yīng)力分布，沿中間包背部箱式結(jié)構(gòu)中心線L1測(cè)量殘余應(yīng)力，取樣點(diǎn)見圖4，各點(diǎn)殘余應(yīng)力分布如圖5所示。W1～W11位置分別為背板與腹板的連接焊縫位置。從圖5（a）可以看出，焊接殘余應(yīng)力關(guān)于中間包中面近似成對(duì)稱分布，在焊縫位置形成了很高的殘余應(yīng)力，并且在中部和兩側(cè)焊縫殘余應(yīng)力最高，等效應(yīng)力可達(dá)約400 MPa，而其他焊縫殘余應(yīng)力相對(duì)較低，等效應(yīng)力約300 MPa。其原因可能是中間包背部使用多塊焊板拼焊而成，隨著焊接的進(jìn)行，應(yīng)力逐漸累積，在中心和兩側(cè)拘束最大，焊縫無(wú)法自由變形，因此形成了更高的殘余應(yīng)力，而其余位置焊縫由于可以向兩側(cè)變形，拘束較小，殘余應(yīng)力也較低。從圖5（b）可以看出，最大主應(yīng)力分布趨勢(shì)與等效應(yīng)力類似，在焊縫處形成了很大的拉應(yīng)力，而在母材處應(yīng)力較小，并在部分母材中形成了一定的壓應(yīng)力。中間包中心面和兩側(cè)邊緣處焊縫最大主應(yīng)力最高，可達(dá)約350 MPa，而其他位置焊縫主應(yīng)力略低，約300 MPa。因此可以推測(cè)，在中間包背部中心面和兩側(cè)邊緣處開裂傾向較大，實(shí)際中間包焊接時(shí)也發(fā)現(xiàn)在中間包背部中心面附近焊縫出現(xiàn)了較多的裂紋。

圖4 殘余應(yīng)力測(cè)量位置示意

圖5 中間包背部殘余應(yīng)力分布

中間包側(cè)面殘余應(yīng)力分布如圖6所示。從圖6（a）可以看出，中間包側(cè)面鋼板內(nèi)存在很大殘余應(yīng)力，等效應(yīng)力最高可達(dá)約450 MPa。吊耳內(nèi)殘余應(yīng)力很低的原因是，為了簡(jiǎn)化計(jì)算將吊耳作為一個(gè)整體，沒有計(jì)算吊耳與鋼管之間的焊縫。從圖6（b）可以看出，與中間包背部鋼板不同，在整個(gè)側(cè)面鋼板內(nèi)均出現(xiàn)了很高的殘余應(yīng)力，其原因在于側(cè)面鋼板尺寸較小，鋼板大部分區(qū)域在焊接熱循環(huán)的作用下都被加熱到了較高溫度，產(chǎn)生了較大的塑性變形。

圖6 中間包側(cè)面殘余應(yīng)力分布

3 結(jié) 論

1）建立了中間包焊接有限元計(jì)算模型，使用該模型模擬了中間包焊接殘余應(yīng)力分布。中間包在焊縫形成了較大的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力峰值約672 MPa，已經(jīng)達(dá)到材料屈服極限。在中間包吊耳和背部應(yīng)力集中較為明顯，說(shuō)明在這些位置焊接裂紋開裂較大。

2）在中間包背部，焊接殘余應(yīng)力關(guān)于中間包中面近似成對(duì)稱分布，在焊縫位置形成了很高的殘余應(yīng)力，并且在中部和兩側(cè)焊縫殘余應(yīng)力最高，等效應(yīng)力可達(dá)約400 MPa，而其它焊縫殘余應(yīng)力相對(duì)較低，等效應(yīng)力約300 MPa。

3）中間包側(cè)面吊耳與鋼板連接處焊縫出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，等效應(yīng)力最高可達(dá)約450 MPa。