超厚钢板对接焊接头残余应力数值模拟研究.pdf

建筑设备与建筑材料四川建筑第43 卷第4期超厚钢板对接焊接头残余应力数值模拟研究石红昌，黄安明，刘（1.德阳天元重工股份有限公司，四川德阳6 18 0 0 0；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都6 10 0 3 1）【摘要】为了研究超厚钢板对接焊接头残余应力分布特征，以150 mm厚容器钢平板对接焊接头为研究对象，并基于ABAQUS软件对其焊接过程进行了仿真模拟。为了提高计算效率采用合并焊道法进行简化，并通过与已有实测结果对比验证了整个计算过程的合理性。结果表明，超厚钢板焊接残余残余应力在焊缝附近主要表现为残余拉应力，峰值可超过材料的屈服强度；远离焊缝残余应力数值较小。并且超厚钢板焊接残余应力呈现明显的空间分布特征，在实际工程中应重视。【关键词】超厚钢板；对接焊接头；残余应力；数值模拟；合并焊道法【中图分类号】TU312【文献标志码】A0引言厚度试板的残余应力测试，指出厚板中残余应力分布具有空间分布特征。钢结构因其质量轻、强度高及施工质量易于控制等优综上所述，目前对于焊接残余应力的研究大多针对厚度点，被广泛应用于各类工程结构中。近年来，随着我国经济小于10 0 mm的钢板焊接接头。在实际工程中常采用超厚度的持续快速发展，炼钢水平和能力不断提升，也有力促进了高强度容器钢Q345R钢板的对接焊接头。因此，本文以150钢结构应用。mm厚容器钢平板对接接头为研究对象，在ABAQUS软件中为了满足日益增长的荷载需求，减轻结构自重，钢厚板建立其有限元模型，采用热弹塑性有限元法和移动热源的应用也日益增多。国家体育场鸟巢以及央视新台址大楼来仿真模拟了整个焊接过程，分析了焊接残余应力的分布特等建筑中都采用了厚度在10 0 mm以上的钢板作为主要承载征，为了提高计算效率采用合并焊道法进行简化，并通过与构件。港珠澳大桥江海直达船航道桥的主塔采用了厚达已有实验结果对比验证了整个计算过程的合理性。150mm的Q345qD钢板2 。海洋平台中会采用厚度达到1超厚板焊接工艺150mm的S690QL低合金调质高强钢3 。大型离心压缩机中，0 9 MnNiD钢焊缝厚度可达40 0 mm，焊接试件厚度需达到300mm以上4。厚板的连接主要采用焊接工艺来完成。焊接具有连接性能好、焊接结构刚度大、整体性好等一系列优点5。然而焊接过程中，不均匀的快速加热和冷却过程会使得钢结构在焊后产生数值较大的残余应力场和变形场。焊接残余应力的存在会对焊接结构的强度、刚度及尺寸稳定性产生不利影响，同时也会诱导焊接结构疲劳裂纹的萌生和扩展,降低构件疲劳寿命6 。相对于薄板焊接，厚钢板焊接接头通常需要多层多道焊来填充其坡口，此时构件会经受更多的热循环；此外，由于厚板焊接会受到明显的自身空间约束，致使在焊后产生数值较大，空间分布复杂的焊接残余应力。厚板焊接接头中复杂的残余应力分布会对结构的服役安全性产生不利影响，因此得到了研究人员的特别关注。倪川皓等7 针对6 0 mm厚Q690钢板模拟探究了焊接温度场、层间温度对焊接残余应力和变形的影响。迟露鑫8 模拟分析了核电SA508-3钢焊件上各区域热循环曲线及残余应力分布规律，板件厚度为10 0mm。刘小渝等19 以重庆江津观音岩大桥索梁锚固区域为研究对象，制作了3 个足尺比例试件（板件厚度高达8 0 mm），并对相关焊缝区域进行了残余应力测试研究。强斌等5 针对Q345qD钢板对接焊接头,开展了16 10 0 mm厚6 种不同260兴？,强斌?采用高强度器钢Q345R为研究对象，制作长宽厚为6 0 0 mm550mm150mm的异种钢对接焊试板，如图1所示。试板采用45K型坡口，焊缝为全熔透对接焊缝，焊接方式为熔化极气体保护焊。厚板焊接时，由于坡口空间尺寸较大，需要进行多层多道焊来进行填充。为了保证焊后试板的平整性,坡口两侧交替焊接直至焊接完成。试板厚度高达150mm，焊接层数为上下各15层，约140 道焊。为了防止开裂，焊前预热和层间温度分别控制在约10 0 和150。焊前在试板两端焊置引弧板和熄弧板。具体焊接工艺参数见表1。表1焊接工艺参数焊道电流/A打底2834中间28 34盖面28 34定稿日期 2 0 2 2-10-10作者简介石红昌（19 8 4一），男，硕士，高级工程师，从事大型复杂钢结构加工制造工作。电压/V260320260320260320焊接速度/(cm/min)24 32285028 50体单元DC3D8和C3D8整个计算过程中单元的节点和编号石红昌，黄安明，刘兴，等：超厚钢板对接焊接头残余应力数值模拟研究550截面1截面2图1试板尺寸平面（单位：mm)2超厚板焊接有限元模型2.1几何模型与网格划分根据实际试板焊接工艺，在有限元软件ABAQUS中建立与实际试板尺寸相同的有限元模型，如图2 所示。为了同时兼顾焊接模拟过程中的计算效率和仿真精度，对焊缝周边的网格进行了局部细化，对远离焊缝位置的网格划分较为稀疏，两者之间采用过渡网格进行有效过渡。模型全部采用六面体网格，共计46 7 40 个单元。试板在实际焊接过程中会在两端设置引、熄弧板。因此在数值模拟过程中，为了与实际焊接工艺对应，模型对应边界条件仅用来防止模型发生刚体位移，具体如图2 中箭头所示,P,和P2点约束了x、y z 三向的线位移;P，和P4点仅约束y向线位移；其中P1P4均为焊缝与母材交汇线的端点。单元数：46 7 40节点数：50 47 0图2 试板焊接有限元模型超厚板焊接采用多层多道焊，焊道数约140 道。若完全按实际焊道情况进行逐步模拟将耗费巨大的存储空间和计算资源。为了进一步提高计算效率，本文采用合并焊道法对焊道进行简化【10 1，简化后焊道数减至2 6 道（图3）。19元1395247111216172324图3 焊缝合并焊道2.2参数设置焊接模拟先进行温度场计算，然后采用顺序耦合，以节点在整个焊接过程中的温度历史作为初始变量再进行残余应力场模拟。温度场和应力场计算时分别采用8 节点六面保持一致，只对单元类型进行更改。热边界条件通过热辐射和热对流来定义：热辐射系数取为0.8 5；对流交换系数取为15W（mm。）。相变潜热取3 0 0 kJ/kg，初始外界温度设置为2 5 11。整个焊接过程划分为52 个分析步,其中焊接分析步时长均取为12 0 s，相邻2 道焊时间间隔2 40 s；焊接完成后经过3600s冷却到室温。2.2.1焊接热源模型在温度场计算时利用DFLUX热源子程序加载Goldak双椭球体热源模型（图4）【12 来模拟焊接热源的移动。双椭球热源模型前后2 部分表达式分别如下。图4双椭球热源模型前半球热源分布函数为：6/3f.09(x,y,2)=_6PLLP.后半球热源分布函数为：6/3f.092:(a,y,)=_6Ta2bc/rex式中：9 1和q2分别为前、后椭球的热流密度；fi和f2为前后椭球热量分配系数,f,+f=2，本文取f=0.6,f=接方间1.4;Q=mUIn为焊接热量（其中，U为焊接电压，I为焊接电流，n为热源效率,n为合并焊道数)；1,2,b,c为双椭球形状参数，可以通过多次试算使得到合理的熔池温度和熔化区域。2.2.2热物理学和热力学参数容器钢Q345R高温材料参数参阅已有文献13-15 中202114151068(-3a一a22低碳钢的高温热物理性能和力学性能进行焊接模拟计算。相关的材料高温性能的具体取值见图5、图6。假定焊缝填充金属与母材具有相同的材料属性。1.4热导率/10/mm/C)+密度（10 g/mm)1.2F比热（(J/g/C)1.00.8180.625260.40.20.00300图5热物理性能参数600温度/90012001500261建筑设备与建筑材料40035030025020015010050003林模拟结果分析及讨论3.1焊接温度场钢材的熔点约为150 0，焊接模拟时将模型中温度超过150 0 的部分视作熔池。焊接开始时，热源经历起弧段，然后熔池的大小和形状不再发生改变，逐渐形成了准稳态温度场。图7 给出了t=500s时焊道6 准稳定时的温度场分布。由图7 可见,随着热源的移动,在熔池的前端,温度梯度较大；熔池后端，等温线间距较大，温度梯度相对较小。在合并焊道后，依旧需要进行2 6 道焊，依次加载Goldak双椭球体热源模型模拟整个加热和冷却过程。NT112553.02500.01752.01204.0908.0612.0760.0464.0316.0168.0200图7 焊道6 准稳态焊接温度场（单位：）3.2焊接应力场图8 给出了焊后试板的Mises应力分布云图。从图8 中可以清晰地看出，焊缝区域存在较大数值的焊接残余应力，其数值接近甚至大于材料的屈服强度，远离焊缝位置数值相对较小。这一分布特点也说明，焊接残余应力为拉压自平衡的应力状态。Mises残余应力在起弧和熄弧段受边界条件的影响，分布较为复杂，在焊缝中部逐渐过渡为相对均匀的应力分布。残余应力在焊缝周边存在明显的应力梯度。S,Mises(Avg:75%)366.1406.7325.5284.9244.2203.6163.0122.481.741.10.5图8 焊后试板Mises应力云图习惯将沿焊缝方向的应力称作为纵向残余应力；将垂直于焊缝方向的应力称为横向残余应力。图9 给出了试板上表面沿板宽方向的纵向残余应力分布，以焊缝表面中心线为坐标原点。采用已有文献510 0 mm厚Q345qD对接焊接头表面残余应力测试值与对当前试板的表面残余模拟进行对比。从图9 中可以看出，纵向残余应力模拟值与实测值与262四川建筑第43 卷第4期一屈服强度（MPa）分布趋势上基本一致，数值上也比较接近。纵向残余应力在杨氏模量（GPa）热膨胀系数（10-/）-泊松比（10-）300600温度/图6 热力学性能参数焊缝及靠近热影响区位置出现峰值拉应力。峰值应力在数值上约为40 0 MPa,超过了Q345R钢的名义屈服应力。随着距焊缝中心距离的增加，纵向残余应力值迅速减小为压应力(约为-50 MPa)。4003002009001200模拟值实测值15001000-100-15图9 上表面纵向残余应力实测与模拟对比图10 展示了试板上表面横向残余应力模拟值与实测值的对比。横向残余应力实测值主要为拉应力，其峰值应力约为450 MPa。横向残余应力模拟值与实测值整体分布趋势一致，数值也较为接近；但在2 5mm处，模拟值出现下降，与实测值存在明显偏差。这一偏差可能是由于，在焊接模拟过程中焊道合并使得焊接熔池体积变大，致使横向拘束减小，从而引起横向残余应力降低【10 。大体上看，横向残余应力在焊缝附近数值较大，远离焊缝位置数值较小，与纵向残余应力分布趋势相似，峰值应力甚至高于纵向应力。450模拟值实测值3001500-150-300-15图10 上表面横向残余应力实测与模拟对比通过实测值与模拟值的对比，验证整个焊接过程的合理性。同时也表明模拟时材料参数的近似选取及采用合并等处理方式依旧会引人计算误差。总体上看，整个焊接模拟过程及结果是可信的。3.3不同位置焊接残余应力对比分析为了进一步研究试件焊接残余应力在不同空间位置处的分布情况，在垂直于焊缝的中心横截面1（图1）中取不同路径上的应力进行对比分析，路径位置如图11所示。图12 为截面1上沿路径13 的残余应力模拟值分布情况路径1和3 分别处于试板上、下表面。由图12(a)和(b)可见，在试板上、下表面纵、横向残余应力分布基本一致，下表面应力略小于上表面。这可能是由于上表面为后焊面，相比于下表面,其焊接时承受了更多的约束。中间位置处（路径2)-10-10-55距离cm0距离/cm05510101515石红昌，黄安明，刘兴，等：超厚钢板对接焊接头残余应力数值模拟研究的纵横向残余应力数值上相对较小，主要表现为压应力。焊缝表面中心线110110图11试板横截面上路径位置（单位：mm）300400200200d-200-100-200-15为了进一步超厚板焊接残余应力在焊缝纵向起弧、熄弧以及稳定段的分布情况，取图1