段成凱，霍世慧，劉永壽

(1.西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院， 西安 710129； 2.西安航天動(dòng)力研究所， 西安 710129)

焊接是結(jié)構(gòu)零部件加工及裝配的重要工藝方法，在工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防裝備和民用生活中起著非常重要的作用[1]。在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域，焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度研究和疲勞斷裂研究受到越來越多的關(guān)注，以追求更好的產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)省材料。AWS B4.0 Standard Methods for Mechanical Testing of Welds[11]是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(US-ANSI)發(fā)布的一項(xiàng)適用于焊接和焊接接頭的力學(xué)試驗(yàn)方法，被廣泛應(yīng)用于試驗(yàn)研究中。對(duì)接接頭和搭接接頭屬于AWS標(biāo)準(zhǔn)下的典型焊接接頭類型，大量的強(qiáng)度研究和疲勞斷裂研究都基于這些典型接頭展開。如兆文忠等[2]研究了焊接接頭的疲勞壽命，聶春戈等[3]研究了正面角焊縫中搭接接頭的靜力強(qiáng)度與尺寸特征，方洪淵教授[1]的焊接結(jié)構(gòu)學(xué)對(duì)這些典型接頭也有大量的研究。

焊接的熱工藝過程不可避免影響材料力學(xué)性能，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生不同程度的變形和殘余應(yīng)力，使得焊接結(jié)構(gòu)成為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)強(qiáng)度及可靠性的潛在薄弱環(huán)節(jié)。如在常見的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于推進(jìn)劑貯箱、燃燒室、渦輪泵、噴嘴、機(jī)架、總裝管路和支架等結(jié)構(gòu)都包含了大量的焊接結(jié)構(gòu)，焊后殘余應(yīng)力與變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受載后的應(yīng)力分布不均勻，對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力和疲勞循環(huán)壽命造成不利影響。典型焊接結(jié)構(gòu)不僅常被應(yīng)用于力學(xué)研究，也廣泛存在于實(shí)際產(chǎn)品中，但針對(duì)這些典型焊接接頭的殘余應(yīng)力和變形情況的研究至今還沒有進(jìn)行詳細(xì)地探討。因此，探討焊接熱過程對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響應(yīng)該成為后續(xù)強(qiáng)度分析與疲勞壽命分析的必要前提環(huán)節(jié)。

以往考查焊接熱過程對(duì)焊接結(jié)構(gòu)影響的研究常采用試驗(yàn)室方法來測(cè)量焊接工藝產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形，這些測(cè)量試驗(yàn)不僅實(shí)施起來非常復(fù)雜，而且很難獲得焊接過程的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)輔助工具的應(yīng)用，借助有限元數(shù)值模擬軟件，可以利用熱彈塑性理論將焊接熱過程下接頭的力學(xué)變化很好地表達(dá)出來。如王士軍等[4]利用ANSYS分析了對(duì)接鋼板的填充焊接過程中的溫度場(chǎng)。冀晴等[5]使用SYSWELD有限元軟件對(duì)鋁鋼薄板搭接焊的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。這些研究都表明計(jì)算機(jī)輔助軟件用于求解焊接熱過程，在有效揭示焊接力學(xué)特性的同時(shí)，避免了復(fù)雜測(cè)量試驗(yàn)，降低了研究成本，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在焊接結(jié)構(gòu)熱過程數(shù)值仿真的應(yīng)用中，一部分研究關(guān)注于焊接方法參數(shù)的選擇，如陳麗等[7]研究了焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭溫度場(chǎng)的影響，岳永豐等[8]模擬了不銹鋼薄板高速高功率激光對(duì)接焊的焊接參數(shù)對(duì)于殘余應(yīng)力的影響。另一部分研究關(guān)注于不同焊接實(shí)體對(duì)象的研究，如郭鵬程等[9]研究了鋁合金汽車前防撞梁的焊接過程工藝和焊接順序?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)的影響。陶聰?shù)萚10]對(duì)CLF-1鋼爆炸焊接接頭界面組織及力學(xué)性能進(jìn)行了研究。但前述研究都沒有針對(duì)AWS標(biāo)準(zhǔn)下的典型接頭進(jìn)行焊接熱過程分析，本文對(duì)包含典型接頭的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，為后續(xù)基于典型焊接結(jié)構(gòu)試件開展的強(qiáng)度研究和疲勞斷裂研究提供了初始的力學(xué)狀態(tài)。

研究[6]認(rèn)為，焊接殘余應(yīng)力是在固有應(yīng)變?cè)醋饔孟聵?gòu)件自動(dòng)平衡的結(jié)果。固有應(yīng)變包括焊接過程中產(chǎn)生的塑性應(yīng)變、熱應(yīng)變和相變應(yīng)變。其中塑性應(yīng)變是由于材料在不均勻膨脹和壓縮引起的；熱應(yīng)變是由于焊前未進(jìn)行預(yù)熱導(dǎo)致的；相變應(yīng)變是由于金屬材料在受熱后導(dǎo)致內(nèi)部組織不均勻?qū)е碌?，因此殘余?yīng)力的分布是十分復(fù)雜的。為了深入探討焊接熱過程對(duì)于對(duì)接、橫向搭接、縱向搭接3種典型接頭產(chǎn)生的力學(xué)影響，本文基于熱彈塑性理論模擬了焊接過程，首先整體分析了3種焊接模型的溫度場(chǎng)變化、焊后殘余應(yīng)力分布與變形情況；然后分析了焊接時(shí)搭接角焊縫上的殘余應(yīng)力分布以及焊接后熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力分布；其次分析了橫向搭接結(jié)構(gòu)中搭接母板在“同向”和“異向”2種焊接方案下的殘余應(yīng)力分布；最后將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果、文獻(xiàn)[1]理論進(jìn)行了對(duì)比，總結(jié)了3種典型焊接結(jié)構(gòu)焊后殘余應(yīng)力、變形情況的一般規(guī)律。這些內(nèi)容為后續(xù)開展焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)研究提供了重要的參考依據(jù)，有利于更加全面地分析焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞壽命。

1 典型焊接結(jié)構(gòu)熱過程有限元建模

1.1 對(duì)接焊縫有限元模型

參考AWS B4.0針對(duì)焊接結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)試的相關(guān)規(guī)定，設(shè)計(jì)如圖1所示的典型對(duì)接焊接試件。試件由2塊厚度為25 mm的平板組成，平板長(zhǎng)度為125 mm，寬度為50 mm。2件平板通過氬弧焊連接在一起，并在板間保持10 mm間隙。對(duì)接焊縫采用雙面開坡口70°焊接，且為1級(jí)焊縫。建立試件有限元模型如圖2所示，為了提高計(jì)算精度和計(jì)算效率，該模型采用八節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格模型，并細(xì)化了網(wǎng)格，該模型的單元總數(shù)為66 705，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為73 072。

圖1 試件示意圖

圖2 試件有限元模型示意圖

1.2 橫向搭接焊縫有限元模型

參考AWS B4.0針對(duì)焊接結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)試的相關(guān)規(guī)定，設(shè)計(jì)如圖3所示的典型橫向焊接搭接試件。試件由4塊厚度為10 mm的平板組成，1號(hào)平板長(zhǎng)度為145 mm，寬度為50 mm；2號(hào)板長(zhǎng)度為60 mm，寬度為50 mm。4件平板通過氬弧焊連接在一起，并在1號(hào)板間保持10 mm間隙。設(shè)計(jì)4條焊縫的焊腳長(zhǎng)度和高度均為3 mm，且為1級(jí)焊縫。建立試件有限元模型如圖4所示，為了提高計(jì)算精度和計(jì)算效率，該模型采用八節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格模型，并細(xì)化了網(wǎng)格，該模型的單元總數(shù)為111 200，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為121 788。

圖3 試件橫向搭接示意圖

圖4 試件有限元模型示意圖

1.3 縱向搭接焊縫有限元模型

參考AWS B4.0針對(duì)焊接結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)試的相關(guān)規(guī)定，設(shè)計(jì)如圖5所示的典型縱向搭接焊接試件。試件由4塊厚度為10 mm的平板組成，1號(hào)平板長(zhǎng)度為145 mm，寬度為70 mm；2號(hào)板長(zhǎng)度為90 mm，寬度為30 mm。4件平板通過氬弧焊連接在一起，并在1號(hào)板間保持10 mm間隙。設(shè)計(jì)四條焊縫的焊腳長(zhǎng)度和高度均為3 mm，且為1級(jí)焊縫。建立有限元模型如圖6所示，為了提高計(jì)算精度和計(jì)算效率，該模型采用八節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格模型，并細(xì)化了網(wǎng)格，該模型的單元總數(shù)為174 380，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為192 555。

圖5 試件縱向搭接示意圖

圖6 試件有限元模型

選擇常用的Q235A鋼作為母材，合金焊絲ER49-1作為焊縫材料。

1.4 熱源與熱過程

在加熱焊接過程中，電弧沿焊接方向運(yùn)動(dòng)，電弧熱流圍繞加熱斑點(diǎn)中心是非對(duì)稱分布的。由于焊接速度的影響，電弧前方的加熱區(qū)域要比電弧后方的小；加熱斑點(diǎn)是橢球形的，并且電弧前、后的橢球形狀也不相同。因此，雙橢球熱源模型更加符合實(shí)際的工藝特點(diǎn)，如圖7所示[1]。

圖7 雙橢球熱源模型示意圖

前部熱流的分布公式[1]：

(1)

后部熱流的分布公式[1]：

(2)

式中，Q=ηUI，η為熱源效率；U為焊接電壓(V)；I為焊接電流(A)；a、b、c為橢球形狀參數(shù)；f1、f2為前后橢球熱量分布函數(shù)，f1+f2=1。

焊接熱過程數(shù)值仿真的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 SYSWELD有限元軟件的焊接熱過程仿真參數(shù)設(shè)置

2 數(shù)值計(jì)算與分析

2.1 焊接溫度場(chǎng)計(jì)算與分析

焊接過程中瞬態(tài)溫度分布與峰值分布如圖8所示。

圖8 瞬態(tài)溫度分布與溫度峰值分布圖

在焊接過程中，焊縫金屬完全處于熔融狀態(tài)，且焊接結(jié)構(gòu)的母材也有部分熔化，熔池形貌符合雙橢球熱源特點(diǎn)。其中平板對(duì)接焊縫采用雙面焊接方式，單層熔池深度大于板厚的一半，能達(dá)到全焊透的I級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 焊接應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算與分析

焊接結(jié)束的焊接應(yīng)力分布如圖9所示。

圖9 焊接應(yīng)力分布圖(單位：MPa)

基于SYSWELD有限元軟件的焊接數(shù)值仿真分析，是將溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果用于熱彈塑性分析計(jì)算中。Q235A鋼是各向同性的彈性材料，屈服準(zhǔn)則遵循Von-Mises準(zhǔn)則。通過結(jié)果的應(yīng)力云圖，不難發(fā)現(xiàn)： ① 焊接最大殘余應(yīng)力發(fā)生在母材與焊縫的接合處，即對(duì)接結(jié)構(gòu)發(fā)生在熔合線上，搭接結(jié)構(gòu)發(fā)生在焊趾處；② 焊接殘余應(yīng)力以中心線向兩側(cè)遞減，呈現(xiàn)明顯的對(duì)稱分布；③ 包含對(duì)接接頭的焊接結(jié)構(gòu)的最大殘余應(yīng)力為440 MPa，包含橫向搭接接頭的焊接結(jié)構(gòu)的最大殘余應(yīng)力為661 MPa，包含縱向搭接接頭的焊接結(jié)構(gòu)的最大殘余應(yīng)力為575 MPa。

焊接縱向殘余應(yīng)力與橫向殘余應(yīng)力分布的數(shù)值仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 焊接縱向殘余應(yīng)力與橫向殘余應(yīng)力分布(單位：MPa)

其中以對(duì)接結(jié)構(gòu)為例，在焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬中，可以清晰地看到，沿焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力和垂直于焊縫方向的橫向殘余應(yīng)力，都以焊縫中心呈對(duì)稱分布。取焊縫中心線方向獲得縱向殘余應(yīng)力曲線，以及取垂直焊縫方向獲得橫向殘余應(yīng)力曲線，這2個(gè)方向的殘余應(yīng)力的分布形式與文獻(xiàn)[1]理論結(jié)果基本一致。且典型對(duì)接結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力變化范圍要小于搭接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化范圍。

2.3 焊接變形計(jì)算與分析

焊接結(jié)構(gòu)整體變形情況的數(shù)值仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 焊接整體變形情況圖(單位：mm)

焊接結(jié)構(gòu)各個(gè)方向變形量的最大值如表2所示。通過對(duì)比焊接結(jié)束后的變形情況，可以發(fā)現(xiàn)雖然不同結(jié)構(gòu)的整體變形情況以及板厚方向變形量不同，但是在焊縫垂直方向的變形量要大于焊縫方向的變形量。

表2 焊接結(jié)構(gòu)的焊接變形量最大值 mm

2.4 焊接工藝與殘余應(yīng)力

為進(jìn)一步考察焊接熱過程對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響，首先通過數(shù)值模擬方法對(duì)包含橫向搭接接頭的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，如圖12所示，焊接過程可以分為前、后1/2階段，分析了搭接角焊縫焊接方向上的熱過程不同階段的殘余應(yīng)力分布，如圖13所示；又分析了熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力分布，如圖14所示。其次分析了橫向搭接結(jié)構(gòu)中搭接母板在“同向”和“異向”2種焊接方案下的殘余應(yīng)力分布，如圖15所示。

圖12 焊區(qū)與熱影響區(qū)范圍示意圖

圖13 熱過程殘余應(yīng)力分布示意圖

圖14 熱影響區(qū)殘余應(yīng)力分布示意圖(單位：MPa)

圖15 不同焊接方案的搭接板上殘余應(yīng)力分布示意圖(單位：MPa)

通過分析發(fā)現(xiàn)，由于焊接先后的差異，受焊縫、母材熔融與冷卻順序的影響，焊接熱過程中的應(yīng)力分布呈現(xiàn)“雙峰移動(dòng)”特點(diǎn)。焊接開始階段，首先出現(xiàn)2個(gè)殘余應(yīng)力峰值區(qū)，在焊接結(jié)束時(shí)，兩峰值分布于焊縫兩端，焊縫末端峰值要大于焊縫起始處，中間位置的殘余應(yīng)力較小；在熱影響區(qū)上，殘余應(yīng)力沿垂直于焊縫方向逐漸減??；由于橫向搭接板受兩側(cè)焊縫焊接影響，導(dǎo)致搭接板上的殘余應(yīng)力分布較為復(fù)雜，對(duì)比“同向”和“異向”焊接2種方案，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)采取“異向”焊接時(shí)，搭接板上應(yīng)力在軸向和橫向均呈現(xiàn)對(duì)稱分布，而當(dāng)采取“同”向焊接時(shí)，搭接板表面應(yīng)力分布只以橫向中心線對(duì)稱分布，這說明“異”向焊接方案有利于此類焊接結(jié)構(gòu)在承受軸向或是橫向載荷時(shí)具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性與可靠性，而“同”向焊接方案可以在特定情況下發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

3 殘余應(yīng)力測(cè)試

為證明焊接熱過程數(shù)值仿真分析方法的有效性以及上述分析得出的殘余應(yīng)力分布規(guī)律的有效性，在同樣的工藝條件下設(shè)計(jì)試驗(yàn)，將試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果做定量比較。

3.1 試驗(yàn)組

1#試驗(yàn)組測(cè)量焊后殘余應(yīng)力，測(cè)量位置包括對(duì)接焊縫上、搭接角焊縫上、對(duì)接焊縫的熔合線的熱影響區(qū)處和搭接角焊縫的焊線的熱影響區(qū)處。2#試驗(yàn)組測(cè)量焊接工藝影響的殘余應(yīng)力，包括“同向”和“異向”兩種焊接方案下橫向搭接板上的殘余應(yīng)力分布。

殘余應(yīng)力測(cè)試方法采用XRD射線衍射測(cè)試方法，試驗(yàn)設(shè)備如圖16所示。3種包含典型接頭的焊接結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件如圖17所示。1#試驗(yàn)組對(duì)接、橫向搭接、縱向搭接試驗(yàn)件的測(cè)試位置如圖18所示；2#試驗(yàn)組同向和異向2種焊接方案下橫向搭接板如圖19所示。

圖16 XRD射線衍射測(cè)試設(shè)備

圖17 3種包含典型接頭的焊接結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件

圖18 1#試驗(yàn)組對(duì)接、橫向搭接、縱向搭接試驗(yàn)件示意圖

圖19 2#試驗(yàn)組同向和異向2種焊接方案下橫向搭接板示意圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

1) 焊后殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

表3展示了1#試驗(yàn)組的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。由表可見，3種包含典型接頭的焊接結(jié)構(gòu)的焊后殘余應(yīng)力分布與前述數(shù)值仿真結(jié)果基本一致。在分布趨勢(shì)上，焊縫上的兩端的殘余應(yīng)力分布呈現(xiàn)對(duì)稱形式。在鄰近焊縫的熱影響區(qū)上，殘余應(yīng)力在遠(yuǎn)離焊縫的方向上逐漸遞減。這些分布趨勢(shì)也與前述數(shù)值仿真結(jié)論規(guī)律相一致。

表3 1#試驗(yàn)組焊后殘余應(yīng)力測(cè)量值 MPa

2) 焊接工藝影響的橫向搭接板上殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

表4展示了2#試驗(yàn)組的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，由表4可見，在包含橫向搭接接頭的焊接結(jié)構(gòu)中，橫向搭接板上的殘余應(yīng)力分布因兩側(cè)焊縫焊接方向的不同，導(dǎo)致搭接板上的殘余應(yīng)力分布呈現(xiàn)不同的形式，其中“異向”焊接方案下的殘余應(yīng)力在軸向和縱向均基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布，而在“同向”焊接方案下僅以橫向中心線對(duì)稱分布，這些特點(diǎn)與數(shù)值仿真得到的結(jié)論吻合。

表4 2#試驗(yàn)組焊后橫向搭接板上殘余應(yīng)力測(cè)量值 MPa

4 結(jié)論

1) 利用有限元分析軟件采用熱彈塑性理論可以很好地模擬焊接過程的溫度、焊接殘余應(yīng)力和變形情況，結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合。

2) 焊接最大殘余應(yīng)力發(fā)生在母材與焊縫的接合處。沿焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力和垂直于焊縫方向的橫向殘余應(yīng)力，是以焊縫中心呈對(duì)稱分布的。在AWS標(biāo)準(zhǔn)下，對(duì)接結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力變化范圍小于搭接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化范圍。

3) 熱過程中，焊縫上的殘余應(yīng)力呈現(xiàn)“雙峰”特點(diǎn)，應(yīng)力始終保持在兩端較大，中段較小。橫向搭接板在“同向”與“異向”兩種焊接方案下的殘余應(yīng)力分布形式也不同。

4) 焊縫垂直方向的變形量大于焊縫方向的變形量。