热输入对电机支架不同位置V型接头焊接热循环和残余应力的影响

李 刚，关 锰，张艳敏，范灵利，李连海，林 斌，杨 康

(1.沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司，沈阳 110142；2.沈阳航空航天大学，辽宁省通用航空重点实验室，沈阳 110136)

0 引 言

热输入是指焊接时输入给单位长度焊缝上的热能。热输入过大，焊接时功率消耗增大，易使接头中产生咬边等焊接缺陷，同时也会导致较大的残余应力；热输入过小，则会产生未焊透、未熔合等焊接缺陷，降低接头强度；另外，接头不同区域由于受到的热循环作用不同，硬度和强度等力学性能存在差异，特别是热影响区，其力学性能的不均匀性更为严重和复杂。研究人员在焊接热输入对接头焊缝力学性能的影响方面进行了大量研究，结果表明，随着热输入的增大，温度升高，接头组织粗化，力学性能下降[1-10]。

在工业级大型结构件中，各零部件间的连接主要依靠焊接。焊接过程中因温度变化而产生的残余应力不但会降低结构的刚度和稳定性，在温度和介质的共同作用下还会降低结构的疲劳强度、抗脆断能力以及抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。因此，焊接残余应力是影响结构件使用寿命和制造质量的关键因素之一。工业级大型结构件焊接接头主要采用V型接头、多层焊方法，多层焊时不同焊道的热胀冷缩会导致焊缝中产生较大应力，焊后消应力处理无法完全消除而形成残余应力。目前，有限元方法已广泛应用于焊接残余应力的研究中[11-12]。但是，工业级大厚度构件的焊接结构复杂，实际模拟分析困难较大，相关研究报道较少。作者使用非线性有限元软件Marc建立了某型核电用泵体电机支架的有限元模型，研究了热输入对焊接热循环和残余应力的影响，并进行了试验验证。研究结果对工程技术人员制定相关焊接工艺具有一定的指导意义。

1 试验方法

整个电机支架为环状结构，如图1(a)所示，其轴向截面形状和接头位置如图1(b)所示，壁厚为50 mm。由图1可见，电机支架轴向从底部到顶部共有6处接头(Ⅰ～Ⅵ)，焊接方向沿环向，接头Ⅰ～Ⅳ处的支架半径R为1 050 mm，接头Ⅴ处的支架半径R1为1 095 mm，接头Ⅵ处的支架半径R2为1 162.5 mm。

图1 电机支架整体形状和轴向截面形状Fig.1 Overall shape (a)and axial section shape (b)of motor bracket

电机支架母材和焊材均为Q235钢，焊丝直径为1.2 mm，材料热物理性能参数见表1。焊接工艺均为气体保护焊，采用直流电源，焊丝与电源正极相连，保护气体为75%Ar+25%CO2(体积分数)，气体流量为15～20 L·min-1，焊接电流为200 A，电弧电压为25 V，热效率系数为0.75，根据电流、电压等参数计算得到的热输入为56.25 kJ·mm-1。接头Ⅰ～Ⅵ连续依次施焊，每个接头的坡口尺寸和焊接顺序均与图2中接头Ⅰ相同，均为V型坡口，焊接10道次，对称施焊，每条焊道高度均为5 mm。

表1 Q235钢的热物理性能参数Table 1 Thermo-physical property parameters of Q235 steel

采用DD12型手持式X射线残余应力测试仪进行残余应力测试，经过M点(如图2所示)沿环向选取10个等距离点进行测试，测试功率为100 W，扫描角度为-30°～30°，扫描时间为每点40 s。

图2 接头Ⅰ处的V型坡口尺寸和焊接顺序Fig.2 V-shaped groove size and welding sequence at joint Ⅰ

2 有限元模型的建立

为了细化网格、提高计算精度，取1/3电机支架进行建模。由图3可见，在1/3电机支架中，接头Ⅰ和Ⅱ处的焊缝长度为πR/3，接头Ⅲ和Ⅳ处的焊缝长度为2πR/3，接头Ⅴ处的焊缝长度为πR1/3，接头Ⅵ处的焊缝长度为2πR2/3。整个模型长度为2 535 mm，划分网格后的1/3电机支架模型如图4所示，焊缝处网格较密，热影响区次之，母材区网格较为稀疏，单元尺寸(长×宽×高)分别为2 mm×2 mm×2 mm，4 mm×4 mm×2 mm，10 mm×4 mm×2 mm。网格类型选用八节点六面体单元HEX(8)，单元数为157 434个，节点数为30 896个。模拟时焊接工艺及顺序与试验保持一致，选择3组工艺参数：焊接电流200 A，电弧电压25 V，热效率系数0.75；焊接电流250 A，焊接电压30 V，热效率系数0.75；焊接电流300 A，电弧电压37 V，热效率系数0.75。焊接速度均为4 mm·min-1，焊接时间由各焊缝长度计算得到。由焊接电流、焊接电压等参数计算得到的焊接热输入分别为56.25，84.38,124.88 kJ·mm-1。选择椭球形移动热源进行焊接模拟，其表达式[8]为

图3 1/3电机支架模型中各焊接接头的焊接方向及焊缝长度示意Fig.3 Welding direction and weld length diagram of each welded joint in 1/3 motor bracket model

图4 1/3电机支架模型和网格划分Fig.4 1/3 motor bracket model and mesh generation

(1)

式中：q(x,y,z,t)为输入热量；x，y，z为空间坐标；t为焊接时间；v为焊接速度，4 mm·s-1；Q为热效率系数；a为椭球形移动热源长度参数，5.0 mm；b为椭球形移动热源宽度参数，4.0 mm；c为椭球形移动热源垂直参数，5.0 mm；∂为焊接热源的滞后时间。

3 结果与讨论

3.1 模型准确性验证

由图5可以看出，在位置M处平行于焊接方向的路径上，实际测试与有限元模拟得到的残余应力均为拉应力，沿焊接方向的变化趋势相同，最小残余应力均出现在焊接路径中间位置处。残余应力测试结果与有限元分析结果的相对误差均小于10%，吻合度较高，说明有限元模型的参数设置具有较高的准确度。

图5 焊接接头Ⅰ热影响区M处残余应力沿焊接方向的变化曲线(热输入56.25 kJ·mm-1)Fig.5 Variation curves of residual stress at heat affected zone M point of welded joint I along welding direction (56.25 kJ·mm-1 heat input)

3.2 热输入对焊接热循环的影响

由图6可知：在3种焊接热输入下，不同焊接接头第1道焊起弧端节点的热循环曲线变化趋势相同。与焊接热源直接接触时，起弧端节点温度从室温瞬间升高到1 500 ℃，达到焊材的熔点形成熔池；随着焊接时间的推移，起弧端节点因热源逐渐远离，温度下降，熔池凝固形成焊缝；在进行后续第2～10道焊时，第1道焊起弧端节点均会再次受热而温度升高，随后随着热源的远离温度又下降，因此热循环曲线出现多个温度峰值现象(图中方框)。随着焊接热输入的升高，在焊接第2～10道时的峰值温度升高(图中方框)，接头加热和冷却时的温度分布更加均匀，这有利于降低焊接残余应力。

图6 不同热输入下不同焊接接头起弧端节点处的热循环曲线Fig.6 Thermal cycle curves at arcing end nodes of different welded joints under different heat inputs

3.3 热输入对残余应力的影响

由图7可以看出：不同焊接接头第10焊道中的纵向(沿x轴方向)残余应力沿焊接方向的变化规律基本相同；在焊缝前端和末端，焊接热输入对残余应力的影响不大，在焊缝中段，残余应力均随热输入的增加而减小。接头Ⅰ和接头Ⅵ处除了在焊缝前端出现残余压应力外，其余位置均为拉应力；接头Ⅱ除了在焊缝前端和末端出现拉应力外，其余位置都是压应力；接头Ⅲ和接头Ⅵ则相反，除了在焊缝前端和近末端处出现压应力外，其余位置都是拉应力；接头Ⅴ第10焊道中的残余应力全是拉应力。

图7 不同热输入下不同焊接接头第10焊道中纵向残余应力沿焊接方向的变化曲线Fig.7 Variation curves of longitudinal residual stress along welding direction of the tenth pass in different welded joints under different heat inputs:(a)joint Ⅰ;(b)joint Ⅱ;(c)joint Ⅲ;(d)joint Ⅳ;(e)joint Ⅴ and (f)joint Ⅵ

4 结 论

(1)建立含6处V型接头的电机支架模型，通过有限元模拟得到其接头Ⅰ处热影响区的残余应力与实测残余应力沿焊接方向的变化趋势相同，且残余应力的相对误差均小于10%，模型准确。

(2)模拟得到电机支架上6处接头焊缝的纵向焊接残余应力的变化规律：对于焊缝前端和末端，热输入对焊接残余应力的影响较小；对于焊缝中段，热输入越大，焊接残余应力越小，并且除了接头Ⅱ外，其他接头均表现为拉应力。

(3)在进行多层多道焊时，热输入越大，起弧端峰值温度越高，接头在加热和冷却过程中的温度越均匀，这有利于减小残余应力。