相變溫度對焊接殘余應(yīng)力影響的有限元模擬分析
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張靈敏1，葛亞瓊1，王 蓬2，王文先1
（1．太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024;2．中國電子科技集團公司第三十三研究所，山西 太原 030024）
摘要：利用有限元分析軟件ANSYS模擬了考慮相變的受剛性拘束的焊縫金屬和十字接頭的應(yīng)力變化過程，討論了相變溫度在室溫至8000C之間的9種不同材料的殘余應(yīng)力，并分析了相變溫度對焊接殘余應(yīng)力的影響。模擬結(jié)果表明：在相變作用下，隨著相變開始溫度的降低，焊接結(jié)構(gòu)中的殘余拉伸應(yīng)力逐漸減小，甚至可以轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力；相變開始溫度為300℃左右時，十字焊接接頭的殘余壓縮應(yīng)力值最大。
關(guān)鍵詞：相變溫度；焊接殘余應(yīng)力；有限元分析中圖分類號：TG44：TP391.7
0 引言
隨著焊接技術(shù)的高質(zhì)高效發(fā)展，焊接結(jié)構(gòu)在金屬結(jié)構(gòu)中所占比重越來越大。但是，受焊接熱循環(huán)作用，焊接結(jié)構(gòu)中必然存在焊接殘余應(yīng)力。一般地，室溫下焊接結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力分布不均勻，特別是焊縫及近縫區(qū)的殘余拉伸應(yīng)力經(jīng)常會導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)服役性能的下降n。
室溫下，熱收縮應(yīng)力和相變應(yīng)力二者共同決定了焊接殘余應(yīng)力的大小，其中由相變導(dǎo)致的壓縮應(yīng)力能夠改善焊接結(jié)構(gòu)的冶金性能和力學(xué)性能等。已有研究表明，采用相變的方法調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力，可以降低殘余拉伸應(yīng)力，甚至可以產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力。與實驗測量殘余應(yīng)力的方法相比，采用數(shù)值模擬焊接殘余應(yīng)力，可以更加全面地了解殘余應(yīng)力分布復(fù)雜而多樣的特點。
本文采用有限元軟件ANSYS，以受剛性拘束的焊縫金屬和焊接十字接頭為對象，模擬其室溫下的殘余應(yīng)力，并主要討論相變對殘余應(yīng)力的影響，以及相變溫度對殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。
1 剛性拘束焊縫的殘余應(yīng)力模擬分析
將圓柱形直桿視為焊縫金屬，假設(shè)該焊縫受到剛性約束，利用ANSYS軟件模擬其加熱冷卻過程中的應(yīng)力應(yīng)變。計算所采用的剛性拘束焊縫直徑為Φ3 mm，長度為10 mm，有限元模型如圖1所示，其材料性能參數(shù)見表1，9組相變溫度和線膨脹系數(shù)見表
2。表2中W1～W9代表不同相變溫度的焊縫金屬。
采用熱結(jié)構(gòu)耦合計算方法模擬剛性拘束焊縫的殘余應(yīng)力。對比模擬9種不同相變溫度即W1～W9焊縫金屬材料的殘余應(yīng)力，將相變溫度與焊接殘余應(yīng)力對應(yīng)關(guān)系的模擬計算結(jié)果繪制于圖2。由圖2可見：當相變溫度較高時(W2)，焊接殘余應(yīng)力為拉伸應(yīng)力；當相變溫度逐漸降低(W3～W5)，在焊縫冷卻過程中，出現(xiàn)了短暫的壓縮應(yīng)力，完全冷卻后的殘余應(yīng)力仍為拉伸應(yīng)力；隨著相變溫度的進一步降低(W6～W8)，殘余拉伸應(yīng)力逐漸降低，室溫下的焊接殘余應(yīng)力完全為壓縮應(yīng)力；但相變溫度更低(W9)和焊縫金屬無相變時( W1)，室溫下焊縫金屬的殘余應(yīng)力完全為拉伸應(yīng)力。
2焊接十字接頭的殘余應(yīng)力模擬分析
實際上，焊縫并非受到剛性約束，在焊接過程中，焊縫和周圍母材都處于膨脹收縮之中。故本文針對應(yīng)用較廣的十字焊接接頭，模擬其在不同相變溫度下的焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律。
模擬所采用的十字接頭的材料性能參數(shù)與受剛性拘束的焊縫完全相同，仍然采用9種不同的焊縫金屬，即W1～W9。模擬過程中，利用APDL語言實現(xiàn)移動高斯熱源的加載，同時利用單元生死技術(shù)實現(xiàn)焊縫金屬的填充；冷卻時，采用空冷的自然冷卻。圖3為十字焊接接頭的有限元模型。
圖4為W6十字焊接接頭的橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力分布云圖。從圖4中可以看出：W6焊縫上產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，且最大壓縮殘余應(yīng)力位于焊趾處，最大拉伸殘余應(yīng)力位于母材上。
圖5為W6焊接接頭沿垂直于焊縫方向的橫向和縱向殘余應(yīng)力分布曲線。由圖5可見：不論橫向殘余應(yīng)力或是縱向殘余應(yīng)力，在焊縫及近縫區(qū)為壓縮應(yīng)力，而在遠離焊縫的母材區(qū)為拉伸應(yīng)力；且在焊趾處，橫向和縱向殘余壓縮應(yīng)力均最大。
圖6為模擬計算得到的W1～W9焊縫中心的焊接殘余應(yīng)力與相變開始溫度的關(guān)系曲線。對橫向殘余應(yīng)力而言，當相變開始溫度小于200℃或大于590℃時為拉伸應(yīng)力；而當相變開始溫度在200℃～590℃之間時為壓縮應(yīng)力。對縱向殘余應(yīng)力而言，當相變開始溫度小于130℃或大于610 ℃時為拉伸應(yīng)力；而當相變開始溫度在130℃～610℃之間時為壓縮應(yīng)力。并且，當相變開始溫度在300℃左右時，橫向和縱向殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為最大壓縮應(yīng)力。
該模擬計算結(jié)果與受剛性拘束的焊縫金屬的模擬計算結(jié)果趨于吻合，只是產(chǎn)生最大殘余壓縮應(yīng)力的相變溫度不同，這是由于兩種模型所受到的自身約束狀態(tài)不同造成的。
3 結(jié)論
(1)利用ANSYS軟件模擬了受剛性拘束的焊縫金屬和十字焊接接頭的殘余應(yīng)力分布，相變的作用降低了焊接結(jié)構(gòu)中的殘余拉伸應(yīng)力，甚至可以產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力。
(2)隨著相變開始溫度的降低，焊縫及近縫區(qū)的殘余拉伸應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力，且焊趾處的殘余壓縮應(yīng)力值最大。
(3)十字焊接接頭中，相變開始溫度為300℃左右時殘余壓縮應(yīng)力最大。
