厚壁鑄鋼件多層多道補焊殘余應力分布仿真

劉博

(1.江蘇大學，江蘇 鎮江 212013; 2.中國石化天然氣分公司，北京 100029)

0 前言

汽輪機汽缸等部件形狀復雜，一般采用鑄鋼材料，鑄鋼件在高溫下運行時承受內應力、靜應力及鑄件內外壁溫差引起的熱應力，因此，在保證鑄件具有良好的鑄造性、焊接性、足夠的強度和剛度的同時，還要求鑄鋼件有足夠的持久強度、蠕變強度、良好的抗熱疲勞性能和抗氧化性[1]。汽輪機缸體主要材料有 ZG20CrMo，ZG20CrMoV，ZG20Cr1MoV，ZG15Cr1Mo1V 等珠光體耐熱鋼[2-3]。金屬材料在復變應力的反復作用下，會出現疲勞損傷，即在應力不超過材料屈服極限的情況下，經過一定次數的循環，金屬材料也將產生微觀裂紋，如應力足夠大，則裂紋將擴展成宏觀裂紋，甚至斷裂[4-5]。這就需要對大厚度的鑄鋼汽缸進行焊接修復，為確保焊補工藝合理，達到焊時及焊后不裂，運行后不裂的要求，應對補焊工藝嚴格要求，焊前要充分預熱，且在補焊過程中要實時對待修復部件進行變形監控[6-7]。因此對大厚度鑄鋼件補焊工藝確定前的焊道熱循環、殘余應力分布及其影響因素的仿真研究顯得至關重要。

多層多道焊和簡單的單層單道焊有很大區別，在多層多道焊過程中不僅涉及電弧加熱、熔池熔化、焊縫非勻態冷卻等過程，還涉及前道焊縫對后道焊縫的預熱作用和后道焊縫對前道焊縫的熱處理作用，焊接修復時要對早期裂紋進行挖補焊，焊接過程有別于普通的對接焊和堆焊，挖補焊時焊接拘束比較大更易產生較大的焊接殘余應力，影響焊接修復質量[8-9]。因此，研究挖補焊過程特別是殘余應力分布的影響因素具有重要的意義。而目前針對大厚度鑄鋼件進行多層多道補焊殘余應力模擬的研究較少，基于生死單元技術，采用 ABAQUS有限元分析軟件對ZG15Cr1Mo1V鑄鋼件多層多道補焊殘余應力場進行了仿真模擬，研究了補焊區域殘余應力的分布規律及不同參數對殘余應力的影響。

1 多層多道補焊模型的建立

為了完成汽缸的挖補焊接修復，首先要對挖補修復多層多道焊過程及其影響因素進行研究，文中建立了大厚板的挖補焊接修復模型，旨在研究焊接修復過程中的應力分布情況，并對修復過程中的工藝進行比較研究，為實體焊接修復過程提供技術依據。

1.1 分段熱源模型

在多層多道焊過程中，如果焊道比較多，采用普通的移動熱源模型又要求焊縫區域要有很細的網格劃分，這必然導致計算效率的降低，為了提高計算效率，該模型將采用分段熱源模型如圖1所示，在保證精度的前提下提高計算效率。

圖1 分段熱源模型

根據蔡志鵬分段熱源理論，若將長度為d的焊縫分為n段，則每一段單位時間內輸入熱量：

(1)

式中：qM為高斯熱源模型中加熱斑點中心最大熱流密度；K為能量集中系數；熱源加熱時間t為：

(2)

式中：K為能量集中系數；v為焊接速度[10]。

熱源分段化處理后，在每一段內是按作用一定時間的帶狀熱源處理，一段帶狀熱源沿焊接方向依次施加到工件上，因此就可以用較少的時間增量步描述焊接時的熱源移動與熱流作用過程，從而大大減少計算時間。

1.2 模型尺寸、網格劃分及材料焊接工藝

該模型尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，缺陷大小：100 mm×50 mm×20 mm，網格劃分時，在焊縫由于溫度梯度比較大，所以焊縫處處細化網格，遠離焊縫處溫度梯度較小，可以網格粗化，坡口形式及網格劃分如圖2所示，焊道每層厚為2.5 mm，分8層24道焊，預熱200 ℃。材料選用的是ZG15Cr1Mo1V鑄鋼，焊接工藝采用TIG焊接方法，焊絲采用R31焊絲，直徑2.5 mm。

圖2 多層多道挖補焊坡口形式及網格劃分

1.3 熱源的施加和邊界換熱條件

在該模型中，考慮到焊道比較多，使用移動熱源模型時需要時間比較長，因此為了提高計算效率，選用上文提到的分段熱源模型。在焊接過程中的熱輸入為10 kJ/(cm·s)。在多層多道焊過程中涉及到前道焊縫與后道焊縫之間的相互影響作用，所以在實際焊接過程中要控制層間溫度，為了模擬實際情況，在建模過程中，每道焊之后要有一個冷卻過程，使層間溫度控制在與預熱溫度相差不大的范圍之內。該模型中每兩道焊之間的冷卻時間為70 s。

在模型中設置環境溫度為20 ℃。該模型中熱源效率選為0.7，熱源有效作用半徑取為7.1 mm。在模型中考慮熱損失，熱損失分為對流和熱輻射熱損失，在熱分析過程中假設模型所有的表面都通過與周圍氣體對流來損失熱量，熱量損失計算如式(3)：

qc=-hc(Ts-T0)

(3)

式中：hc為熱傳導系數；Ts為焊件的溫度；T0為環境溫度，取20 ℃；在該模型中熱傳導系數設為15×10-6W/(mm2·℃)。模型的熱輻射損失由公式(4)給出：

qr=-εσ[(Ts+273)4-(T0+273)4]

(4)

式中：ε為熱輻射系數，模型中取輻射系數為0.8；σ為玻爾茲曼常數[11]。

2 數值模擬結果及分析

2.1 焊接過程熱循環曲線

為了研究多層多道焊過程中的加熱過程，選取坡口底部左右各一點，并提取焊接過程中的熱循環曲線如圖3所示。從圖中可以看出，圖中的每一個峰就是一道焊接過程，在焊接第一道焊縫時距離破口底部的距離最近，因此溫度也就最高，最高溫度達到材料的熔點。隨著后續焊縫距離取樣點的距離越來越遠，溫度也就也來越低。在每一道焊接之后，有一個冷卻過程，可以從圖中直觀的變現出來。

圖3 坡口底部左右側各一點的熱循環曲線

比較坡口底部左右兩點的熱循環曲線可以看出，在左側點，第二道焊縫的最高溫度高于第三道焊縫的最高溫度，而在右側點，第二道焊縫的最高溫度低于第三道焊縫的最高溫度，這是因為在焊接過程中，第二道焊縫和第三道焊縫都為第二層，且在焊接時先焊的左道焊縫，接著才是右道焊縫。在焊接左道焊縫時，左側點的溫度高于右側點，其他層情況也一樣。從熱循環曲線可以很好的反映焊接過程。

2.2 焊接殘余應力分布

所有焊道焊接完成之后，試件冷卻到室溫之后的應力為焊接殘余應力。該模型中焊接橫向殘余應力和縱向殘余應力的三維分布情況如圖4所示。

圖4 縱向殘余應力分布

從三維殘余應力分布云圖可以直觀的了解焊接殘余應力的分布情況，在焊縫區域無論是縱向應力還是橫向應力都表現為拉應力，這是由于在焊縫冷卻過程中，金屬的收縮受到焊縫外金屬的限制引起的。橫向應力在沿焊縫方向為明顯的拉壓趨勢，兩端為壓應力，中間為拉應力，這是由于焊縫及其附近塑性區的縱向收縮引起。縱向殘余應力在垂直焊縫方向為壓-拉-壓的分布。

為了進一步分析殘余應力在焊縫橫截面上的分布情況，選取焊縫中心垂直焊縫的截面上的2條路徑如圖5所示，提取路徑上的應力分布如圖6和圖7所示。

圖5 選取路徑

圖7 路徑2上應力分布

從路徑1圖中可以看到，垂直焊縫方向上，縱向殘余應力基本關于焊縫中心對稱，在焊縫附近區域為拉應力，拉應力的最大值為400 MPa左右，接近材料的屈服強度，在遠離焊縫處為壓應力。與實際焊接過程相符合。縱向殘余應力曲線中的每一個峰值對應一道焊縫，最后一道焊道上的殘余應力最大，這是因為先焊的焊道會受到后焊焊道的影響，相當于做了熱處理，而最后一道焊道則沒有這種作用。垂直焊縫方向上，橫向殘余應力全為拉應力。

比較路徑1和路徑2上的應力分布可以看到，殘余應力的大小相差不大，但縱向應力拉應力區的寬度則不同，坡口上部的拉應力區寬度明顯大于坡口下部。因此只需對坡口上部進行分析，若上部滿足殘余應力要求，則下部也滿足要求。

2.3 不同參數對殘余應力的影響

考慮到進行不同參數對補焊殘余應力的影響分析需要計算多個模型，為了提高計算效率，使用二維模型進行分析，即取焊縫橫截面進行建模。

2.3.1不同預熱溫度的影響

在焊接修復過程中，因為其具有很大的冷裂紋傾向，因此必須進行焊前預熱處理，不同的預熱溫度不僅影響焊縫的組織形態，而且對焊接殘余應力有很大的影響，在焊接過程中選擇合適的預熱溫度對焊接質量的保證很重要。預熱溫度分別為20 ℃，100 ℃，200 ℃，300 ℃的焊縫縱向應力分布云圖如8所示。

從應力云圖可以看到，殘余應力分布關于焊縫呈對稱分布，隨著預熱溫度的升高，熔池部位焊接殘余拉應力的峰值呈下降趨勢，從整體應力分布來看，殘余拉應力的分布區域逐漸減小，壓應力區域增大。提取焊縫上部垂直焊縫的路徑上的應力分布如圖9所示，從圖中可以看出，縱向殘余應力和橫向殘余應力峰值隨預熱溫度的增加都呈下降趨勢，預熱溫度200以上，殘余拉應力峰值低于400 MPa。

圖8 不同預熱溫度的焊縫應力分布云圖

圖9 不同預熱溫度焊縫上部垂直焊縫的路徑上的應力分布

℃從上面的分析可得，隨著預熱溫度的升高，焊接殘余應力的峰值降低，且壓應力區域增大，焊接修復效果更好，但是在實際的工程應用中，預熱溫度太高一來費用較大，二來會使焊接人員的工作環境惡化，不利于焊接過程的實施，因此在實際修復過程中選用200～250 ℃預熱較為合理。從圖中看出，橫向焊接殘余應力出現驟降，可能是出現在預熱邊緣區，預熱邊緣處存在預熱過程不均衡導致熱輸入量較小，因而仿真結果出現這種趨勢，但并影響對于預熱溫度的選取。

2.3.2不同層厚的影響

對于多層多道焊的焊接修復涉及到層道的設計問題，同一個焊縫，可以選擇比較大的層厚，較少的焊接層數；也可以選擇較小的層厚，較多的焊接層數。不同的層道設計對焊接質量也有一定的影響。該節選用3種層道設計見表2，研究不同層道設計對焊接殘余應力的影響。

表2 不同的焊縫層道數設計

不同層厚的焊接縱向殘余應力分布如圖10所示，從圖中可以看出，層厚不同對焊接殘余應力的分布有一定的影響，層厚較小，層數較多的焊縫殘余應力峰值較小，因為層厚相差不大，因此應力峰值也相差不大，但趨勢可以體現出來。這種趨勢的主要原因是層厚較小時，層道數也就越多，焊接每一層時的熱輸入較小，雖然焊接過程中總的熱輸入沒有變化，但是在焊道之間有冷卻的過程，熱輸入是間隔輸入，殘余應力較小。

圖10 不同層厚的焊接縱向殘余應力分布云圖

為了分析焊縫上部拉應力區的分布，提取焊縫上部垂直焊縫的路徑上的應力分布如圖11所示，應力分布情況相差不大，縱向應力為拉壓趨勢，橫向應力幾乎全為拉應力，比較不同層厚的焊縫縱向殘余應力的分布可以發現，2.0 mm層厚的焊縫的拉應力寬度最小。焊接殘余應力中的拉應力容易引起試件的疲勞和裂紋。焊接拉應力的區域越小越好，選用較小的層厚較多的層道數可以優化焊接殘余應力。

圖11 不同層厚焊縫上部垂直焊縫的路徑上的應力分布

3 結論

(1)隨著預熱溫度的升高，焊接殘余應力的峰值降低，且壓應力區域增大，焊接修復效果更好，受焊接條件的限制，200～250 ℃預熱較為合理。

(2)層厚較小時，焊接殘余應力的峰值也較小，且焊接拉應力的寬度較小，宜采用較小層厚，較多層道數的焊接修復方法。