焦晉峰，賈朋朋，賈玥, 雷宏剛

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

自20世紀(jì)以來(lái)，鋼管-焊接空心球節(jié)點(diǎn)(簡(jiǎn)稱“管-球”節(jié)點(diǎn))平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)因具有高效的受力性能、較好的整體剛度和施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于帶有懸掛吊車(chē)的工業(yè)廠房中。近年來(lái)，隨著懸掛吊車(chē)噸位的增加，使得網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題再次引起工程界的重視[1-2]。國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，“管-球”節(jié)點(diǎn)平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)疲勞破壞常發(fā)生在節(jié)點(diǎn)焊縫處[2-4]，究其原因，焊接殘余應(yīng)力是導(dǎo)致焊縫處應(yīng)力集中，加速節(jié)點(diǎn)疲勞損傷積累，降低其疲勞壽命的主要原因之一[5-8]。因此，分析和預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力強(qiáng)度及分布規(guī)律對(duì)優(yōu)化焊接工藝、降低焊接殘余應(yīng)力，尤其對(duì)延長(zhǎng)“管-球”節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命有著重要的意義。

本文以“管-球”節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，采用有限元軟件ABAQUS焊接接口(AWI)實(shí)現(xiàn)對(duì)其焊接過(guò)程的真實(shí)模擬，得到了該節(jié)點(diǎn)在焊接過(guò)程中的瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)以及焊后殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，并采用盲孔法測(cè)量了“管-球”節(jié)點(diǎn)試件的焊后殘余應(yīng)力，驗(yàn)證了有限元計(jì)算方法的可靠性。

1 管球環(huán)焊縫焊接殘余應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)

為驗(yàn)證下文焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文采用盲孔法對(duì)“管-球”節(jié)點(diǎn)焊接殘余應(yīng)力值進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量。

1.1 試件構(gòu)造尺寸

焊接空心球和鋼管規(guī)格根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)[9]5.2.5條1款規(guī)定: 焊接空心球外徑與壁厚之比宜取25～45; 空心球外徑與主鋼管外徑之比宜取2.4～3.0；空心球壁厚與主鋼管壁厚之比宜取1.5～2.0; 空心球壁厚不宜小于4 mm?？紤]到管球材料購(gòu)買(mǎi)及工廠加工條件等實(shí)際因素，節(jié)點(diǎn)試件在實(shí)際加工制作過(guò)程中，對(duì)部分零件原設(shè)計(jì)厚度進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后不同零件之間具體關(guān)系為空心球壁厚與主鋼管壁厚之比為2.5，空心球外徑與主鋼管外徑之比為3.07。本文研究采用的“管-球”節(jié)點(diǎn)截面尺寸為空心球規(guī)格：外徑350 mm，壁厚10 mm,主鋼管規(guī)格：外徑114 mm,壁厚4 mm，節(jié)點(diǎn)材質(zhì)為Q235B鋼，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)試件Fig.1 Test specimen

圖2 試件測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Arrangement of measuring points in specimen

1.2 試驗(yàn)測(cè)量裝置及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)測(cè)量裝置由2部分組成，分別為鉆孔設(shè)備和CM-1L-10型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)均布置在焊縫附近的空心球上，為滿足《殘余應(yīng)力測(cè)量方法 鉆孔應(yīng)變釋放法》(GB/T 3395—2013)的測(cè)點(diǎn)布置要求，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，測(cè)點(diǎn)1～6距焊趾距離分別為4、4、4、2、3、3 mm。

1.3 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

1.3.1 盲孔法簡(jiǎn)介

盲孔法最早由德國(guó)人J.Mathar于1934年提出，經(jīng)后人的不斷改進(jìn)與完善，目前已成為應(yīng)用最廣泛的測(cè)量殘余應(yīng)力的方法，并被美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM標(biāo)準(zhǔn)E837-81所采用。根據(jù)《殘余應(yīng)力測(cè)量方法 鉆孔應(yīng)變釋放法》(GB/T 3395—2013)規(guī)定，試驗(yàn)基本步驟為將測(cè)點(diǎn)區(qū)域打磨光滑，并在測(cè)點(diǎn)處黏貼三向應(yīng)變花，使用鉆孔設(shè)備在應(yīng)變花中心打1個(gè)直徑D約為2 mm、深度為1.2D的小孔(圖3)，將測(cè)點(diǎn)處的殘余應(yīng)力釋放。通過(guò)應(yīng)變儀讀取應(yīng)變花的三向應(yīng)變?chǔ)?、ε2、ε3，再依據(jù)公式(1)計(jì)算出測(cè)點(diǎn)殘余應(yīng)力。

(1)

式中：σ1,2為主應(yīng)力；ε1、ε2和ε3分別為相應(yīng)各應(yīng)變計(jì)鉆孔后測(cè)得的釋放應(yīng)變；A、B為應(yīng)變釋放系數(shù)；θ為最大主應(yīng)力(代數(shù)值)方向與應(yīng)變?chǔ)?測(cè)量方向之間的夾角，取順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较颉?/p>

1.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《殘余應(yīng)力測(cè)量方法 鉆孔應(yīng)變釋放法》(GB/T 3395—2013)中8.1.10規(guī)定，只要有1個(gè)主應(yīng)力超過(guò)材料屈服強(qiáng)度的60 %，需對(duì)計(jì)算應(yīng)力進(jìn)行修正。本文采用應(yīng)變釋放系數(shù)分級(jí)計(jì)算法進(jìn)行修正，圖4為各測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，由于2號(hào)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與實(shí)際理論嚴(yán)重不符，可將其舍去。

圖3 試驗(yàn)盲孔Fig.3 Test blind hole

圖4 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬對(duì)比Fig.4 Comparison of test results with numerical simulation

2 管球環(huán)焊縫焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬

2.1 焊接殘余應(yīng)力模擬方法

焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬屬于熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，熱-結(jié)構(gòu)耦合分析最簡(jiǎn)單的方法是進(jìn)行順序耦合熱應(yīng)力分析。在這種情況下，首先進(jìn)行熱分析，然后在結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用熱分析結(jié)果。使用這種方法，結(jié)構(gòu)性能不影響熱結(jié)果，符合焊接特性，故本文采用間接順序耦合分析法對(duì)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.2 有限元模型建立與網(wǎng)格劃分

本文采用ABAQUS有限元分析軟件建立上述試驗(yàn)“管-球”節(jié)點(diǎn)的足尺計(jì)算模型，由于該模型具有軸對(duì)稱的性質(zhì)，故將模型做1/2簡(jiǎn)化?？紤]到焊縫區(qū)和近焊縫區(qū)有較大的溫度梯度，在焊縫及焊縫附近采用較為精密的網(wǎng)格劃分[7]，單元尺寸控制在2 mm以內(nèi)；在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域劃分相對(duì)稀疏的網(wǎng)格，中間設(shè)置過(guò)渡網(wǎng)格。模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示，將整個(gè)有限元模型離散成101 200個(gè)單元，單元類(lèi)型為傳熱單元。

2.3 材料屬性

焊接溫度場(chǎng)模擬屬于非線性瞬態(tài)熱分析，材料非線性對(duì)焊接模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性會(huì)產(chǎn)生重要的影響，但現(xiàn)階段在高溫狀態(tài)下的材料熱物理性能參數(shù)相當(dāng)匱乏，文中材料主要性能參數(shù)參考文獻(xiàn)[10]并略作修改(見(jiàn)表1)。在焊接過(guò)程中，假定對(duì)流系數(shù)h=25 W/(m2·℃)，部分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)線性插值的方法確定。本次模擬考慮了焊料在焊接過(guò)程中的固-液相變潛熱，將焊縫單元的液化溫度設(shè)置為1 500 ℃，固化溫度為1 400 ℃，潛熱值為260 kJ/kg。

表1 Q235B材料熱物理性能參數(shù)Tab.1 Thermal physical property parameters of Q235B

圖6 焊縫截面形狀及測(cè)點(diǎn)位置Fig.6 Shape of welding seam section and position of measuring point

2.4 焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

“管-球”節(jié)點(diǎn)連接采用對(duì)接坡口焊縫(圖6)，焊接方法采用焊條電弧焊，將焊接溫度設(shè)置為1 800 ℃，順時(shí)針依次焊接，焊接時(shí)間為54 s。

2.4.1 溫度場(chǎng)模擬步驟設(shè)置

熱分析分為以下5步：第1步，將焊縫單元移除；第2步，模擬焊接熱源的移動(dòng)，將熱邊界條件應(yīng)用于焊縫與母材的接觸面上；第3步，將焊接溫度保持一段時(shí)間；第4步，將焊縫單元重新激活；第5步，將模型冷卻到室溫。在焊接過(guò)程中，焊接電弧的熱輸入滿足高斯分布。退火溫度為900 ℃，冷卻時(shí)間設(shè)置為1 900 s。

2.4.2 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化云圖如圖7所示。圖7(a)為節(jié)點(diǎn)在焊接過(guò)程中6、36、54 s時(shí)的溫度場(chǎng)云圖，溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在焊縫熔池處。由于已焊區(qū)表面不斷向周?chē)h(huán)境散熱，溫度不斷降低，故焊點(diǎn)處比焊后位置等溫線密集，其溫度梯度也較大。隨著焊接的進(jìn)行，焊池及其附近區(qū)域以一個(gè)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)形態(tài)移動(dòng)，焊縫附近的等溫線呈近似橢圓分布。圖7(b)為節(jié)點(diǎn)在冷卻20、200、1 900 s時(shí)的溫度場(chǎng)云圖,圖7(b)顯示：(1)溫度由溫度高的位置傳向溫度低的位置；(2)隨著冷卻時(shí)間的增加，節(jié)點(diǎn)溫度先急劇降低后緩慢降到室溫，并在冷卻到1 900 s時(shí)，其最高溫度降為22.26 ℃，可認(rèn)為冷卻到室溫。

6 s

36 s

54 s單位：℃

20 s

200 s

1 900 s單位：℃

圖8 測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線 Fig.8 Temperature time history curve of measuring point

為研究在焊接過(guò)程中焊接溫度對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響。本文在主鋼管、空心球模型上分別設(shè)置了4個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖6)，圖8為測(cè)點(diǎn)溫度的時(shí)程曲線圖。圖8表明：(1)在焊接過(guò)程中，鋼管側(cè)溫度約為空心球的2倍；(2)空心球測(cè)點(diǎn)1′最高溫度與鋼管測(cè)點(diǎn)3最高溫度相近，說(shuō)明在焊接過(guò)程中，鋼管側(cè)高于500 ℃的熱影響區(qū)域約為空心球的3倍。

2.5 焊接應(yīng)力場(chǎng)有限元分析

2.5.1 應(yīng)力場(chǎng)模擬設(shè)置

在ABAQUS焊接界面(AWI)提交熱分析作業(yè)的同時(shí)，軟件自動(dòng)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型及荷載步，并以熱分析結(jié)果為荷載施加到相應(yīng)的荷載步，所以不必再重新建模，繼續(xù)采用熱分析中的模型和網(wǎng)格形式，使用三維應(yīng)力單元。故采用順序耦合熱應(yīng)力分析法對(duì)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行模擬時(shí)，熱分析與應(yīng)力分析不能同時(shí)提交。

2.5.2 應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果

本文選取冷卻到室溫時(shí)的應(yīng)力作為最終的焊接殘余應(yīng)力，圖9為軟件完成作業(yè)后的Mises等效應(yīng)力云圖。由圖9可得：(1)殘余應(yīng)力在焊接接頭附近影響區(qū)域最大，且對(duì)鋼管產(chǎn)生了尤為不利的影響，節(jié)點(diǎn)其他位置殘余應(yīng)力影響范圍較小，主鋼管與空心球受其影響區(qū)域約為3cm；(2)殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)在主鋼管焊縫接頭附近處，其數(shù)值為282.9 MPa，超過(guò)了材料的名義屈服應(yīng)力。因此，在節(jié)點(diǎn)焊接完畢后，需著重對(duì)鋼管焊縫接頭附近位置采取消除殘余應(yīng)力的措施。

(a) 正視圖

(b) 后視圖單位：MPa

圖4為試驗(yàn)殘余應(yīng)力測(cè)值與有限元相應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置殘余應(yīng)力計(jì)算值的比較，除2、4點(diǎn)存在較大誤差外，其余各點(diǎn)的有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，說(shuō)明實(shí)際的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)可以由有限元軟件模擬獲取。

2.5.3 殘余應(yīng)力分布模型

為了更好分析殘余應(yīng)力場(chǎng)在節(jié)點(diǎn)上的分布，本文結(jié)合溫度場(chǎng)模擬結(jié)果將殘余應(yīng)力場(chǎng)劃分為3個(gè)區(qū)域(圖9)，各區(qū)域大致范圍見(jiàn)表2。

表2 各區(qū)域大致范圍Tab.2 Approximate range of each region

圖10 應(yīng)力場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置Fig.10 Stress field measurement point arrangement

第1區(qū)域在焊接過(guò)程中經(jīng)歷了2次高溫影響，導(dǎo)致此區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分布最為復(fù)雜。同時(shí)，其殘余應(yīng)力值普遍高于其他2個(gè)區(qū)域，是殘余應(yīng)力最大值所在的區(qū)域。在此區(qū)域中，鋼管在軸向方向上受殘余應(yīng)力影響尤為嚴(yán)重，在距焊趾45 mm范圍內(nèi)，鋼管表面存在高于70 MPa的殘余應(yīng)力。第2區(qū)域殘余應(yīng)力值小于其他2個(gè)區(qū)域，其原因?yàn)榇藚^(qū)域溫度場(chǎng)尚未穩(wěn)定，受溫度場(chǎng)影響較小。第3區(qū)域在環(huán)形方向上范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他2個(gè)區(qū)域，此區(qū)域具有穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，故其殘余應(yīng)力云圖比其他2個(gè)區(qū)域有規(guī)律。

通過(guò)劃分區(qū)域法，可以很好地解釋殘余應(yīng)力的成因與分布規(guī)律，因此，可將環(huán)形焊縫劃分為不同的區(qū)域來(lái)研究。

為研究第3區(qū)域中主鋼管與空心球上的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，在此區(qū)域中的“管-球”節(jié)點(diǎn)上均勻設(shè)置4組測(cè)點(diǎn)，每組測(cè)點(diǎn)均在同一截面，每組測(cè)點(diǎn)所在截面的夾角θ為45°，并將第1個(gè)點(diǎn)選取在距焊趾2 mm處(圖10)。為了直觀地表達(dá)主鋼管及空心球上的應(yīng)力分布狀態(tài)，分別將節(jié)點(diǎn)上的每組測(cè)點(diǎn)結(jié)果繪制成散點(diǎn)圖，如圖11所示。

(a) 空心球應(yīng)力測(cè)點(diǎn)散點(diǎn)圖

(b) 主鋼管應(yīng)力測(cè)點(diǎn)散點(diǎn)圖

由圖11可知：(1)鋼管殘余應(yīng)力在軸向方向上的變化趨勢(shì)：在距焊趾10 mm范圍內(nèi)，應(yīng)力數(shù)值下降平緩，在10～30 mm范圍內(nèi)，隨距焊趾距離的增加，應(yīng)力呈指數(shù)形式下降。(2)空心球殘余應(yīng)力在徑向方向上的變化趨勢(shì)為：在距焊趾12 mm范圍內(nèi)，殘余應(yīng)力值先降低后增高，約在距焊趾6 mm處，取到最小值約為110 MPa;在12～30 mm范圍內(nèi)，殘余應(yīng)力值下降平緩。(3)在焊趾處，主鋼管焊接殘余應(yīng)力值高于空心球，但在距焊趾12 mm以外范圍，主鋼管焊接殘余應(yīng)力值低于空心球。

通過(guò)對(duì)主鋼管測(cè)點(diǎn)散點(diǎn)圖的曲線擬合，本文建立了在第3區(qū)域中主鋼管焊接殘余應(yīng)力與距焊趾位置的數(shù)學(xué)模型如圖11(b)，公式如下：

(2)

式中:σ1、σ2為等效殘余應(yīng)力，d2為距焊趾位置。第1段函數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.874，第2段函數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.989，說(shuō)明公式(2)可以很好地表達(dá)主鋼管殘余應(yīng)力與距焊趾位置的函數(shù)關(guān)系。

3 結(jié)論

① 本文采用盲孔法測(cè)量“管-球”節(jié)點(diǎn)焊后殘余應(yīng)力，得到了測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力值，驗(yàn)證了焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,說(shuō)明“管-球”節(jié)點(diǎn)焊接殘余應(yīng)力分布狀況可以由數(shù)值模擬獲得。

② 在焊接過(guò)程中，主鋼管側(cè)高于500 ℃的熱影響區(qū)域約為空心球的3倍，且主鋼管側(cè)受熱區(qū)域溫度約為空心球的2倍。

③ 結(jié)合溫度場(chǎng)模擬結(jié)果，可將焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)劃分為3個(gè)區(qū)域，并解釋了各區(qū)域殘余應(yīng)力的特點(diǎn)及成因，提出了通過(guò)區(qū)域劃分來(lái)研究環(huán)形焊縫殘余應(yīng)力分布的方法。

④ 在第3區(qū)域，鋼管焊接殘余應(yīng)力最大值高于空心球，并分析得到了殘余應(yīng)力在鋼管軸向方向及空心球徑向方向上的變化趨勢(shì)。

⑤ 本文建立了鋼管在第3區(qū)域距焊趾30 mm范圍內(nèi)殘余應(yīng)力值與距焊趾位置的數(shù)學(xué)模型，為“管-球”節(jié)點(diǎn)焊接殘余應(yīng)力的研究提供參考。