锥柱耐压壳高强度钢典型焊接接头残余应力研究

李良碧，张沛心，朱德钦

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江212003)

0 引 言

现代大型水下耐压结构是开发海洋资源不可或缺的工具之一。耐压结构在设计制作过程中通常会遇到直径大小不同的耐压结构之间的过渡问题，锥柱耐压壳在解决此类问题时被广泛采用［1］。锥柱耐压壳在设计过程中，为保证耐压壳体具有足够的强度和稳定性，在不改变其基本结构形式的前提下，必须采用高强度钢。高强度钢在屈服强度提高的同时，对焊接残余应力敏感程度增加。耐压壳在服役过程中，其内部的焊接残余应力与所受外部载荷引起的工作应力相叠加，若材料进入屈服状态，其塑性储备就大幅度降低，致使锥柱耐压壳在低应力阶段就过早发生破坏，影响其使用寿命。由于锥柱耐压壳壳体半径通常较大，约为3 ～4 m，模型加工成本和试验难度较高。因此，通常将锥柱耐压壳凸角焊缝处的典型焊接接头［2］，即易产生疲劳破坏的部位作为耐压结构焊接残余应力研究的重点，如图1所示。所以本文开展锥柱耐压壳高强度钢典型焊接接头残余应力的研究非常有必要。

图1 锥柱耐压壳Fig.1 Cone-cylinder pressure hull

近年来，国内外相关学者对焊接接头的残余应力进行了研究。Lelindgren［3］采用壳单元对平板对接焊缝和薄壁管道环焊缝的残余应力进行了研究。Shim 等［4］基于有限元法分析了厚板多层焊的焊接残余应力，并比较了不同坡口形式对焊接残余应力的影响。汪建华等［5］对焊接过程中的动态应力应变过程及焊后残余应力进行了数值模拟研究。孙文婷等［6］基于Ansys 对工字型截面梁的残余应力场进行了数值模拟研究。但由于锥柱耐压壳高强度钢典型焊接接头的特殊性，针对此类焊接接头进行残余应力的相关研究还比较缺乏。

因此，本文通过数值模拟方法，对锥柱耐压壳高强度钢典型焊接接头残余应力的分布规律以及几何尺寸和焊接工艺参数对残余应力的影响做了相关研究。研究结果为后续进行焊接残余应力对锥柱耐压壳疲劳强度的影响研究奠定相关理论基础，并为控制焊接残余应力和优化焊接加工工艺提供数据支持。

1 焊接过程有限元分析基本理论

1.1 焊接温度场

焊接过程是一种非线性高温瞬态传热的过程，遵守能量守恒定律和傅里叶定理。由文献［7］可知焊接过程的温度控制方程为:

式中:Q 为求解域内热源强度;T 为温度场分布函数;ρ，C，λ，t 分别为材料的密度、比热容、导热率和传热时间，且ρ，C，λ 都是随温度变化的参数;X，Y，Z 为焊接件的空间坐标。

1.2 焊接应力场

焊接应力场弹塑性变形的根本原因是由于温度场的存在，焊接残余应力是由于焊接过程中材料在高温下发生了塑性变形。材料在塑性状态的应力应变关系为［7］:

式中:dσ 为应力增量;dε 为应变增量;dT 为温度增量;D 为弹性或弹塑性矩阵;C 为由于材料性能随温度变化导出的向量。

2 锥柱耐压壳高强度钢典型焊接接头残余应力数值模拟

2.1 几何模型

典型焊接接头模型由2 块尺寸为300 mm×300 mm×22 mm 以及1 块尺寸为150 mm×300 mm×22 mm 的高强度钢平板呈27°的锥角对接焊接而成(见图2)，焊缝是尺寸为22 mm×300 mm×22 mm 的直焊缝，如图2所示。

图2 典型焊接接头模型及尺寸Fig.2 Typical welded joint model and dimension

2.2 有限元模型

采用有限元分析软件Ansys 建立典型焊接接头残余应力的有限元模型，由于焊接接头的焊缝处为研究的重点部位，所以在网格划分时细分了所研究焊缝处的单元。

为方便表示，将模型所研究焊缝的两面分别定义为凹面和凸面，分别代表锥柱耐压壳凸锥焊缝的内表面和外表面。由于轴向即垂直焊缝方向的残余应力是影响疲劳寿命的主要应力，并且高强度钢厚板多层焊一般在靠近表面的焊道残余应力会较大［8］。因此，本文将轴向定义为X 方向，重点研究凹面和凸面X 方向的焊接残余应力σx。有限元模型如图3所示。

图3 典型焊接接头残余应力模型Fig.3 Residual stress model of the typical welded joint

2.3 材料属性

典型焊接接头的材料选用某高强度钢，其热物理性能参数和力学性能参数均与温度有关，高强度钢在典型温度下的性能参数，如表1和表2所示，对未知温度范围内的性能参数采用插值法确定，在模拟时假设焊缝的热物理参数与母材部分一致。

表1 某高强度钢的物理特性Tab.1 The material properties of a high tensile strength steel

表2 某高强度钢应力应变特性Tab.2 The relationship between stresses and strains of the high tensile strength steel

2.4 焊接工艺参数

典型焊接接头初始温度和环境温度均为25℃;焊喉温度为1 300℃;焊接速度为125 mm/min;对流放热系数62.5 W/m2·℃。

2.5 数值模拟结果

本文焊接热源采用生死单元模型，基于热－弹塑性理论，采用Ansys 的APDL 语言编制焊接残余应力的数值模拟程序，用间接法模拟典型焊接接头的残余应力。典型焊接接头模型充分冷却后轴向的焊接残余应力σx的分布规律如图4所示。

从图4 可看出:σx在焊缝附近区域较大。典型焊接接头凹面焊接残余应力σax在焊缝附近主要为焊接残余拉应力，且呈双峰形状分布，2 个峰值出现在焊趾附近热影响区，但由于模型结构形状的变化，两侧峰值的大小并不相同，焊接残余拉应力最大值σtmax为248.81 MPa。凸面焊接残余应力σtx在焊缝附近主要为焊接残余压应力，且呈单峰形状分布，焊接残余压应力最大值σcmax为392.16 MPa。随着距焊缝中心距离的增加，σax和σtx的应力水平将迅速降低。

图4 σx 分布曲线Fig.4 Distributed curve of σx

3 几何尺寸对典型焊接接头残余应力的影响

因为焊接接头几何尺寸的不同会对其焊接残余应力产生一定影响，从而影响锥柱耐压壳热点应力部位的结构形式。因此，本文在图3 模型的基础上，选取不同板厚、板宽、锥角3 种方案分别对典型焊接接头的σx进行数值模拟分析(见表3)。

2013年全省征收水资源费总额达到14.73亿元。根据国家要求，2013年启动了调整水资源费标准工作，拟于2014年调整水资源费征收标准，达到国家提出的最低征收标准。

表3 各方案参数Tab.3 Parameters of different projects

3.1 数值模拟结果

3.1.1 板厚对焊接残余应力的影响

图5和表4 分别表示不同板厚时的σx分布规律及σx的最大值σxmax。从中可以看出，不同板厚下，典型焊接接头凹面σax和凸面σtx的分布规律基本不变，主要表现为:凹面σax在焊缝附近呈双峰曲线，凸面σtx呈单峰曲线，σtmax和σcmax均仍出现在焊趾附近的热影响区。板厚对凹面σax的应力水平影响较大，对凸面σtx的应力水平影响较小;随着板厚的增加，凹面σtmax随之增大，而凸面σcmax相对凹面而言则变化较小。

图5 方案1 不同板厚时的σxFig.5 σx of different plate thicknesses

表4 不同板厚时的σ xmaxTab.4 σ xmaxof different thicknesses

3.1.2 板宽对焊接残余应力的影响

图6和表5 分别表示不同板宽时的σx分布规律及σxmax。从中可以看出，在其余参数相同而改变板宽时，典型焊接接头σax和σtx的分布规律和应力水平都发生了一定程度的变化:随着板宽的增加，凹面焊缝附近的σax逐渐由单峰分布转换为双峰分布且σtmax随之减小;凸面焊缝附近的σtx逐渐从双峰分布转换为单峰分布且σcmax随之增大。在凹面，板宽较大时，σtmax出现在焊趾附近的热影响区;随着板宽的减小，σtmax由热影响区逐渐过渡到焊缝中心。而在凸面，σcmax始终出现在焊趾附近。

图6 方案2 不同板宽时的σxFig.6 σx of different plate widths

表5 不同板宽的σ xmaxTab.5 σ xmaxof different widths

3.1.3 锥角对焊接残余应力的影响

图7和表6 分别表示不同锥角时的σx分布规律及σxmax。从中可以看出，当锥角发生改变时，典型焊接接头σax和σtx的分布规律基本不变，但其应力水平均发生了一定程度的变化。随着锥角角度的增大，凹面的σtmax随之减小，而凸面的σcmax随之增大。对比曲线的变化幅度可以看出:锥角越小，凹面σax的双峰值差异越小，这是因为锥角的减小使其焊接特性有向平板对接焊接近的趋势。

图7 方案3 不同锥角时的σxFig.7 σx of different cone angles

表6 不同锥角的σ xmaxTab.6 σ xmaxof different cone angles

3.2 结果分析

改变锥柱耐压壳典型焊接接头的几何尺寸会对σx产生较大的影响。由于在实际焊接结构中，一般认为焊接残余拉应力会加速裂纹扩展，从而引起结构的失效断裂。因此，从减小拉应力的角度看，在保证钢板强度的前提下，可以适当增加板宽和锥角、减小板厚。对于此类型的焊接接头，随着几何尺寸的变化，焊接残余应力的变化具有一定规律性(逐渐增加或逐渐减小)。因此，对于未知尺寸下的焊接残余应力可以在已有研究的基础上进行估计。

4 焊接工艺参数对焊接残余应力的影响

焊接残余应力的大小与焊接工艺直接相关。因此，本文在图3 模型焊接工艺参数的基础上选取不同焊接速度、焊吼温度2 种方案分别研究焊接工艺参数对轴向焊接残余应力σx的影响，如表7所示。

表7 各方案的参数Tab.7 Parameters of different projects

4.1 数值模拟结果

4.1.1 焊接速度对焊接残余应力的影响

图8和表8 分别表示不同焊接速度的σx分布规律及σx的最大值σxmax。从中可以看出，焊接速度对凹面残余应力σax和凸面残余应力σtx的分布规律及应力水平影响均较小。不同焊接速度下，σax和σtx仅有微小差异。

图8 方案4 不同焊接速度时的σxFig.8 σx of different welding speeds

表8 不同焊接速度的σ xmaxTab.8 σ xmax of different welding speeds

4.1.2 焊喉温度对焊接残余应力的影响

图9和表9 分别表示不同焊喉温度的σx分布规律及σxmax。从中可以看出:焊喉温度对凹面σax的分布规律影响较小，但对其应力水平影响较大;随着焊焊喉温度的增加，凹面焊缝附近σax波动逐渐缓和，且凹面残余拉应力最大值σtmax逐渐增大。相对凹面，焊喉温度对凸面σtx的影响则较小。

图9 方案5 不同焊喉温度时的σxFig.9 σx of different welding temperatures

表9 不同焊喉温度的σ xmaxTab.9 σ xmaxof different welding temperatures

4.2 结果分析

对于图3 典型焊接接头模型，焊接速度的改变对凹面σax和凸面σtx的影响均较小，而焊喉温度的改变对σax的影响较σtx的影响大。因此，在实际焊接过程中可适当提高焊接速度，从而提高焊接效率。在选择焊喉温度时，易选择较小者，保证焊接过程产生的轴向残余应力σx不致过大而影响结构的疲劳强度。

5 结 语

1)耐压结构典型焊接接头轴向焊接残余应力在凹面主要为焊接残余拉应力，凸面主要为焊接残余压应力;凹面焊缝中心及焊趾附近热影响区是残余拉应力最大值易出现的位置，此处残余拉应力波动较大，应作为疲劳强度研究的重点区域。凸面焊趾附近是残余压应力最大值易出现位置。

2)板厚的改变对残余拉应力影响较大，而对残余压应力影响较小;锥角和板宽对残余拉、压应力影响均较大;板宽变化较大时，不仅对残余拉、压应力的应力水平产生影响，还会使其分布规律发生变化。适当增加板宽和锥角、减小板厚可减小焊接残余拉应力。

3)焊接速度对残余拉、压应力影响均较小。焊喉温度对残余压应力影响较小，对残余拉应力影响较大。在实际焊接过程中，从残余应力的角度看，可适当提高焊接速度，从而提高焊接效率。适当减小焊喉温度，可减小焊接残余拉应力。

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