奇特封闭环焊缝多道焊焊接残余应力的模拟分析

　　摘要:针对两种奇特的封闭环焊缝焊接———圆盘镶块和平板垂直接管的多道焊焊接进行了三维数值模拟,论证采用子程序来实现高斯分布表征的热源移动,得到了焊接的热循环过程及焊后残余应力分布。研究表明,封闭环焊缝在起焊/收焊区域的残余应力状况复杂,具有较大的环向残余拉应力,往往会诱使焊缝开裂失效。对比而言,接管环焊缝的应力状况更应引起足够的重视。
　　关键词:奇特封闭焊缝;；残余应力;有限元方法;多道焊;高斯分布热源
　　0序言
　　根据大的壳体进行局部挖补镶块修复焊接以及板结构焊接接管时,其焊缝属于奇特的封闭焊缝。原于焊缝的闭合性,拘束度较大,焊后常会产生较大的焊接残余应力,特别对于奥氏体不锈钢焊件,焊后通常不做专门的焊后热处理，存在势必会降低焊接接头的性能进而影响整个焊件服役的可靠性。比如在腐蚀环境下服役的奥氏体不锈钢焊件,其焊接接头由于残余拉应力、接头区微结构以及腐蚀环境的共同作用,容易发生应力腐蚀开裂(SCC)失效1;对于长期服役于高温环境下的焊接构件,高温蠕变的影响致使材料发生劣化,最终导致蠕变开裂,其中发生热影响区环向开裂、焊缝金属横向开裂最主要的诱因就在于接头存在较大的残余拉应力2。众多学者已通过试验3或数值模拟4来研究焊接残余应力,但多是针对非封闭焊缝,而对封闭型环焊缝的研究较少。对两种奇特封闭环焊缝分别建立三维有限元模型,使用有限元软件ABAQUS对焊缝多道焊的热循环过程和残余应力场的分布进行模拟分析,并对此结果进行讨论,以期对研究具有封闭焊缝的焊接结构失效提供参考。
　　1封闭焊缝二种模型
　　图1和图2分别为镶块封闭焊缝和接管封闭焊缝的二种模型,结构和焊缝坡口尺寸如图所示。环焊缝焊接采用四道焊完成,详细的焊接工艺参数见表1。待焊件材料为奥氏体不锈钢SS316L,为防止热影响区晶粒长大及碳化物的析出应在多道焊过程中控制较低的层间温度(T≤150℃),焊接不进行预热处理和焊后热处理。
　　

　　
　　2有限元模型
　　2．1有限元网格
　　根据图1,图2的结构参数建立三维有限元模型。在焊缝区域,为考虑准确描述较大的温度梯度,需要密划焊缝区域网格。
　　2．2材料参数
　　模型材料选用316L奥氏体不锈钢,其热、力学性能参数见图3,潜热为300kJ/kg,固相线1420℃,液相线1460℃。对材料在高温(尤其指熔点及以上)的热力性能假设可见文献6,ABAQUS可以简单地通过设定退火温度来描述材料的熔化后状态的无应力状态。
　　
　　
　　2．3高斯分布移动热源的实现
　　考虑到计算精度和计算效率,文中将焊接热源看成随焊接电弧中心移动的高斯分布热源作用于焊道单元的表面,而在同一时间厚度方向热流恒定,在ABAQUS中,结合Fortran语言编写的用户子程序进行计算分析。电弧沿焊缝圆周作单向均匀运动,则输入的高斯分布为7
　　
　　式中:u,I,v分别是电弧电压、电流和电弧移动速度;r,η分别是点(R,0)到电弧中心的距离和电弧热效率系数,焊条电弧焊取η为0.75O0,=0;rb是电弧有效加热半径;Parc为电弧功率,P0为电弧最大功率。热源在子程序中通过焊接时间的变化和焊接速度来表示热源的移动。多道焊焊料的填充是随着时间和电弧的移动而实时积累的,这通过ABAQUS中的单元“生死”技术可以实现。
　　2．4边界条件
　　热场分析中,模型的上下表面、接管的内外表面均考虑对流和辐射边界条件,对流系数取10W/m2K,辐射发射率为0.85。焊件初始温度取室温。应力分析保证模型不发生刚性移动即可。
　　2．5验证
　　为验证分析方法的有效性,以Murugan8对于304不锈钢平板对接多道焊试验测量所得的残余应力值做为验证依据,根据其试验试样、焊接工艺8建立有限元模型分析。焊后用X射线衍射法测量残余应力。图4为板上下表面中央（垂直焊缝）横向残余应力测量值与模拟结果的比较。可以看出,模拟所得到的应力分布规律与试验测得基本相同,考虑到有限元离散化和材料数据不足等原因,模拟值与试验测得值存在一些偏差,但这种偏差是可以接受的。
　　
　　3结果分析与讨论
　　3．1封闭环焊缝多道焊热循环
　　对于封闭型焊缝,由于每一道焊缝的起焊/收弧点重叠,因而此局部区域在一道焊中会经受两次升降温过程,总的热循环次数是远离此区域的两倍。为说明封闭焊多道焊的热循环过程,在镶块封闭焊模型圆盘上表面选择三个参考点进行分析A,B,C详见图5(A:=0°,r=240mm;B:=0°,r=240mm;C:0=0°,r=240mm)。图6为第二道的热循环过程,由图中可以看到,A,B两点在起焊/收弧区域,在进行一道焊的期间会出现两次峰值温度,而远离起焊位置的C点每道焊接则仅会出现一次升降温过程。所以,在起焊区域的受热状况较其他区域更为复杂,由此会带来此区域的焊接残余应力的不同值得关注。另外,近焊缝处的A,C点由于接近焊接热源,其温度峰值较高,局部区域存在着较大的温度梯度及变化率,形成了焊缝热影响区,此区域的焊后残余应力分布也是相当复杂的。
　　

　　3．2镶块封闭焊模拟结果讨论
　　图7是镶块封闭焊焊后上表面环向残余应力的分布。可以看出,在环焊缝起焊/收弧区域热影响区和焊缝的环向上存在较大的拉应力,塑性变形区域较宽,且多出现在镶块侧。一旦焊件表面存在由于组织变化、机械加工、腐蚀作用所引起的表面裂纹,在残余拉应力的作用下,很容易发生裂纹的扩展。镶块侧由于处于平面内完全约束状态,非均布的热循环造成镶块侧应力状态更为复杂。在化工容器安全检测中,有时发现在热影响区表面垂直于焊缝且已有扩展的微裂纹,严重的已出现宏观裂纹,属热影响区径向裂纹,而较大的环向拉应力是诱发此裂纹并最终导致开裂的主要诱因9。
　　
　　
　　图7上表面环向残余应力分布
　　图7显示环焊缝起焊区域的应力分布具有局部性。为考察远离起焊位置的焊缝及其热影响区残余应力的分布,分别在远离起焊位置处的上下表面做两条参考路径Path1和Path2（图5）。图8a,b分别为两条路径径向和环向的应力分布。可以看出,圆盘镶块环焊缝焊后残余应力在镶块中心部位以及焊缝热影响区附近存在峰值应力,尤其在焊缝热影响区,Rt为环向拉应力,Rr为径向压应力,这种径向受压而环向受拉的状态会驱使焊缝产生径向裂纹并发生扩展。
　　
　　
　　3．3接管封闭焊模拟结果讨论
　　接管封闭焊模型环焊缝由于接管的存在会受到焊缝面外即圆盘轴向上的约束,故其残余应力的分布与镶块封闭焊缝的分布是不同的,见图9所示的环向应力分布。其高应力区也出现在环焊缝的起焊区域,而且主要出现在圆盘板侧,接管侧应力水平较低,圆盘上的环向应力由热影响区的拉应力沿径向向外逐渐降低,甚至过渡到压应力,这样的应力分布往往会造成结构在轴向上的变形。由于环向上较大范围的高应力分布,接管封闭焊模型相比镶块封闭焊模型更容易引起径向裂纹的生成和扩展。
　　
　　图9接管封闭焊模型上表面环向残余应力分布
　　4结论
　　（1）ABAQUS软件结合用户子程序获得了三维封闭环焊缝多道焊焊接结构的热循环与残余应力场,其数值模拟方法经与试验测量数据比较,验证了该方法的准确性,可以作为焊接结构多道焊焊接过程残余应力分析的数值方法。
　　（2）由于封闭环焊缝结构自身存在较大的自拘束,致使焊后残余应力值相对较高,镶块模型的镶块侧与接管模型的板侧焊缝与热影响区应力分布复杂,具有较大范围的残余拉应力分布需要加以关注。
　　(3)环焊缝由于焊缝的闭合性使得起焊、收焊区域受到更多的热循环,从而诱发了较大的残余应力,焊缝区域环向应力为拉应力,是径向裂纹扩展的主要驱动力,故而需要注意采取措施以提高焊接质量来降低裂纹形成和扩展的可能性。