焊接冷却时间对锚拉管残余应力影响研究*

陈亚莉 何 佳 肖 祥 董 杰

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (三峡大学土木学院2) 宜昌 443000)

焊接冷却时间对锚拉管残余应力影响研究*

陈亚莉1)何 佳2)肖 祥1)董 杰1)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (三峡大学土木学院2)宜昌 443000)

斜拉桥锚拉管焊接残余应力将会影响结构的受力性能，为了研究焊接中冷却时间对它的影响，采用数值模拟和试验测量相结合的方法.运用磁测法和盲孔法对典型对接和T接焊缝模型的残余应力进行测量，同时采用ANSYS有限元软件建立焊缝的三维模型，试验测量值验证了数值模拟方法的可行性.基于该数值模拟方法，研究在不同冷却时间的作用下，斜拉桥锚拉管焊接残余应力的变化规律.结果表明，随着锚拉管焊接冷却时间的增长，残余应力的分布规律保持不变，但拉应力峰值增大，压应力峰值减小.为了减小残余应力的不利影响，应当缩短相邻焊层间的冷却时间或者采取预热和保温的措施.

道路工程；锚拉管；数值模拟；焊接残余应力；盲孔法；冷却时间

0 引 言

在焊接的过程中会产生残余应力，对结构造成不利的影响.目前，对于斜拉桥锚固区残余应力的试验测量已有学者做过研究[1-3]，但是试验测量数据有限，不能准确的显示残余应力的变化情况，所以对焊缝进行数值模拟是非常有必要的.对焊接残余应力分析也只从焊接层数和道数、板件厚度、焊接顺序以及焊接的速率、电流和电压等方面进行参数分析[4-9].针对多层多道焊接时，每道焊缝焊接完成后的冷却时间对最终残余应力的影响分析较少.在多层多道焊缝施焊的过程中，两道焊缝之间的冷却时间如果过短，道间温度过高，容易引起热影响区晶粒粗大，使焊缝强度及低温冲击韧性下降[10-11].如果冷却时间过长，道间温度过低，不重新预热就施焊容易在层间产生冷裂纹[12].施焊工人往往是根据经验来控制冷却时间，并没有相对规范的时间控制.因此，有必要对焊接的冷却时间进行研究.

本文以兰州西固黄河大桥为研究背景，斜拉桥的锚固区起着连接主梁和斜拉索的作用，是结构的主要受力部分.此处的焊缝密集，如果残余应力得不到有效的控制，对结构受力会有较大影响.因此，对斜拉桥锚固区焊接残余应力进行预测和研究具有重要的意义.文中采用数值模拟和试验测量相结合的方法，首先验证了数值模拟的可行性，然后基于该数值模拟方法研究冷却时间对斜拉桥锚拉管残余应力的影响，以便于采取有效的措施控制锚拉管的残余应力.

1 焊接模型试验

试验采用磁测法和盲孔法对比测量焊接试件的残余应力.盲孔法是半破坏性测试方法，若直接对锚拉管进行测量，锚拉管将无法投入到桥梁的使用中,因此，采用与该锚拉管相同材料、加工工艺以及同一批工人现场制作的典型对接和T接焊缝模型试件进行残余应力测量.

1.1 模型制作

试验材料为Q370qE，采用手工电弧焊，焊接电压为30 V，焊接电流为270 A，焊接速度为0.004 m/s.对接焊缝模型M1的横截面尺寸、焊道布置见图1a)，焊道焊接顺序为1,2,3→4,5；T接焊缝模型M2的横截面尺寸、焊道布置见图1b)，焊道焊接顺序为1,2→3,4,5.

图1 焊缝截面尺寸及焊道布置

1.2 试验方法

磁测法是基于铁磁性材料的磁致伸缩效应，通过测量磁性变化来测定铁磁材料中的应力大小.首先在对接和T接焊缝试件上打磨抛光，在测量区域画出5行5列共25个测点，相邻测点间距为70 cm.然后采用JH-30残余应力检测仪对测点进行测量.再采用盲孔法测量进行对比分析.盲孔法是利用JHZK型打孔设备在平面测点上钻一个小孔，在该点贴上三向应变计R1，R2和R3，通过应变计测量出测点在钻孔过程中释放的应变大小，再根据相关理论公式计算出残余应力大小.盲孔法共5个测点，测点纵向位于试件中心，与焊缝方向垂直.相关理论公式为

(1)

(2)

(3)

式中：ε1，ε2，ε3分别为三个应变计R1，R2，R3的测量的应变；A，B为应变释放系数，由试验测定；θ为残余应力σ1方向与R1轴向的夹角.

2 有限元数值模拟

为了研究锚拉管残余应力的分布规律以及不同冷却时间对锚拉管残余应力的影响，首先建立与实际对接和T接焊缝试件具有相同尺寸和焊道布置的几何模型，模拟焊接的过程.对比数值模拟与试验测量值，发现两者结果较吻合.基于此种模拟方法，建立锚拉管的有限元模型，仅改变冷却时间参数的大小，得到最终残余应力的分布和变化规律.

2.1 模型建立

采用ANSYS软件建立焊接模型，利用sweep网格划分单元.焊缝区源面运用映射方法划分成加密的网格，远离焊缝区源面划分成较稀疏的网格，过渡区的单元采用自由网格划分方式，使两边的单元均匀衔接.最终能够在缩短运算周期的基础上得到一个准确的计算结果，模型网格划分结果见图2.

图2 模型网格划分结果图

该计算模型运用间接耦合单元，即首先利用温度场单元对焊接模型进行热分析，再将该单元转化为对应结构场单元，进行应力应变的分析计算.根据该原则，选用SOLID70单元作为温度场单元，SOLID95单元作为结构分析单元.

2.2 材料特性

Q370qE结构钢的热物理性资料比较少，参考文献[13]中焊接材料的性能，用于本文的数值模拟.其导热系数、密度、比热容、泊松比、线性膨胀系数、屈服应力和弹性模量参数随温度变化情况见表1.

2.3 热源模拟

采用生死单元法模拟焊接填充过程中热源的输入，焊接热量均匀的分布在焊缝上.在建立好焊接几何模型之后，首先将焊缝单元“杀死”，然后根据焊接的顺序，依次“激活”焊缝单元，给激活的单元施加生热率.生热率的计算公式为

表1 Q370qE钢热物理性能

(4)

式中：Al为焊缝的横截面积；dt为每个荷载步的时间步长；k为焊接热电弧效率，本文取值为0.7；U为焊接电压；I为焊接电流；v为焊接速度.

2.4 边界条件

进行温度场分析时，施加热力学边界条件，其中包括恒温、热对流和辐射边界条件.恒温边界条件模拟焊接模型周围空气环境温度，本文取值为25 ℃；热对流和辐射边界条件是模拟焊接模型与外界气体在接触面上的热量交换，为了便于计算，考虑总的换热系数.进行应力应变场分析时，施加位移边界条件，目的是防止模型在模拟焊接计算过程中发生刚体位移，施加的约束不能影响焊件在计算过程中的自由变形.

3 数值模拟与试验结果对比

待对接和T接焊缝试件冷却至室温25 ℃之后，选取对接焊缝上表面路径1路径上和T接焊缝路径2路径上各测点为研究对象，采用磁测法和盲孔法共同测量其残余应力大小，同时提取数值模拟方法计算出的残余应力大小，图3～4分别是对接和T接焊缝试验测量值和数值模拟计算结果的比较.其中横向为垂直于焊缝方向，纵向为平行于焊缝方向.

图3 对接焊缝残余应力分布

图4 T接焊缝残余应力分布

由图4可知，横向残余应力呈现出W形，该方向应力是由焊缝及附近塑形区域横向和纵向收缩共同引起的，在焊缝中心处达到拉应力峰值52.98 MPa.在过渡区应力值逐渐减小，达到最大压应力值63.95 MPa，该区域应力值不连续主要是过渡区单元划分不均匀导致的.随着离焊缝的距离增大，应力值逐渐增大，最后趋近于零.纵向残余应力呈现出V形，在焊缝及附近的塑形区表现为压应力，之后迅速增大再缓慢减小，拉应力峰值为154.50 MPa，压应力峰值为275.19 MPa.由图5可知，T接焊缝在横向和纵向均呈现出M形，焊缝中心受压，在焊料和母材连接焊趾区域处出现最大残余拉应力.这是由于焊料在受高温膨胀后，随着焊件的冷却，焊缝区收缩变形受到约束，在焊趾处达到最大拉应力数值.应力值随着离焊缝距离的增加而减小，然后缓慢增加，最后趋于零.T接焊缝横向和纵向的拉应力峰值分别为98.20，156.85 MPa，压应力峰值分别为118.93，149.27 MPa.以上的结论符合一般残余应力的变化规律.综合上述对接和T接焊缝的应力结果来看，纵向残余应力的数值和变化幅度更大，对结构更加不利.

由图4～5可知，磁测法和盲孔法试验测量数据的变化趋势和数值大小均与计算模拟值较吻合.说明该计算模拟方法可以反映模型的真实受力状态，模拟值还可以补充试验中未测点残余应力的分布，所以利用该模拟方法研究冷却时间对锚拉管残余应力的影响是可行的.

4 冷却时间对残余应力的影响

斜拉桥锚拉管焊缝横截面尺寸及焊道布置见图5，焊缝采用多层多道焊接，焊接顺序为1→2→…→10.通过温度场的模拟结果发现，每道焊缝焊接完成之后冷却16 min时，焊件形成均匀的温度场，而且与外界环境温度接近，此时构件内部的应力可以认为是最终的残余应力，不再随着冷却时间的增长而变化[13].因此，选取冷却时间分别为0，4，8，12和16 min时对应的残余应力值进行比较，研究不同冷却时间对最终焊接残余应力的影响.基于上节中纵向残余应力对结构受力更为不利的结论，锚拉管主要研究冷却时间对纵向残余应力的影响.分别选取路径3和路径4路径上各测点为研究对象，图5～6分别为测点纵向应力值随位置和冷却时间的变化情况.

图5 锚拉管焊缝横截面尺寸

图6 纵向残余应力

由图6a)可知，在路径3上，焊缝及附近热影响区残余应力表现为“山”形，呈现出“拉-压”交替式变换，在焊缝中心和焊趾处出现拉应力峰值，最大值为232.98 MPa，接近材料的屈服强度.同时从残余应力云图可知，在焊趾处有应力集中现象，这主要是因为焊缝区温度急剧变化，材料发生较大的膨胀和收缩变形，在过程中受到周围区域的约束，产生了塑形变形，从而引起了较大的残余应力.由图6b)可知，路径4上各点在焊缝中部形成了较稳定的残余拉应力区域，在焊缝的边缘由于边界效应的影响，拉应力逐渐变为压应力，而且由于焊接顺序的先后不同，残余应力的变化程度也有所差异.

由图6可知，在不同冷却时间的作用下，锚拉管纵向残余应力的分布规律保持不变，但应力峰值发生了改变.图7为纵向最大残余拉应力和压应力随时间的变化图，从由图7可知，拉应力峰值随着冷却时间的增长而增长，压应力峰值随着冷却时间的增长而减小.拉应力是引起结构受力不利的主要因素，因此冷却时间越长，对结构受力越不利.冷却时间越长，构件温度越低，新填焊料与已焊构件的温差越大，就会引起较大的变形和约束作用，使残余拉应力越大.相反，冷却时间越短，新填焊料与已焊构件形成一个相对温差较小的温度场，可以减小材料的收缩和变形，使残余拉应力越小.用Ri/j(i,j=0,4,8,12,16)表示冷却时间从i变为j时，对应最大残余应力的变化率，见表2.由表2可见,拉应力峰值的变化率R0/4>R4/8>R8/12>R12/16，压应力峰值的变化率在46%左右波动.在第一个4 min内，拉应力峰值的变化率最大，两个路径分别达到19%和81%.这是因为焊件在冷却的过程中，温度越高，热量扩散越快，因此温度下降的速度越快.所以在第一个4 min的冷却过程中，已焊构件温度变化最大，与新填焊料的温差变化率最大，因此残余应力的变化率也最大.综上所述，冷却时间的长短会影响结构的温度，从而引起了残余应力的变化.冷却时间越长，残余拉应力峰值越大，对结构越不利.可以采取减少冷却时间，或者适当的保温和预热措施，来减少新填焊料与已焊构件的温差，从而达到减小残余拉应力的目的.

图7 应力随时间变化曲线

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5 结 论

1) 通过模拟方法，得到对接和T接焊缝的残余应力分布规律，模拟得到的数据与试验值基本吻合，试验结果验证了数值模拟方法的可行性.对比对接和T接焊缝纵横向残余应力的变化规律，发现纵向残余应力的数值和变化幅度更大，对结构受力更为不利.

2) 经过模拟数据分析，获得了斜拉桥锚拉管纵向残余应力的分布规律.垂直于焊缝方向测点的纵向残余应力呈现“拉—压”交替式分布，在焊缝中心处达到拉应力峰值，其值接近材料的屈服强度；位于焊缝上的测点的纵向残余应力在中部形成稳定的拉应力区域，两边由于边界效应影响，逐渐变为压应力.

3) 分析得到冷却时间对斜拉桥锚拉管残余应力的影响.随着冷却时间的增长，残余应力的分布规律保持不变，但拉应力峰值逐渐增大，压应力峰值逐渐减小，对结构越为不利.

4) 冷却时间越短，残余拉应力峰值的变化率越大.为了减小残余拉应力的大小，应减少相邻焊层间的冷却时间或者采用预热和保温的措施.

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Research on the Influence of Welding Cooling Time on the Residual Stress of Tensile Anchor Tube

CHEN Yali1)HE Jia1)XIAO Xiang1)DONG Jie1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(SchoolofCivilEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443000,China)2)

The welding cooling time of tensile anchor tube on the Cable-Stayed Bridge has great influence on the residual stress of the structure. Therefore, research on the cooling time is considered of great importance. The influence of cooling time on the residual stress is studied by means of both the numerical simulation and experimental measurement. Firstly, the residual stress of typical butt and T welds are measured by magnetic and blind hole method. Meanwhile, a three-dimensional model of welding seam is established by ANSYS finite element software. The test results verify the feasibility of the numerical simulation method. In addition, based on the numerical simulation method, variation of residual stress of tensile anchor tube on the Cable-Stayed Bridge under different cooling time is researched. Results show that with the growth of welding cooling time of tensile anchor tube, the distribution law of residual stress remains unchanged, but the peak tensile stress increases and the peak compressive stress decreases. In order to reduce the adverse effects of residual stress, measures of shortening the cooling time or preheating and heat preservation should be taken.

road engineering; tensile anchor tube; numerical simulation; welding residual stress; blind hole method; cooling time

2017-05-18

*甘肃省交通运输厅科技项目资助(201674)

U448.27

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.032

陈亚莉(1993—)：女，硕士生，主要研究领域为桥梁结构耐久性设计与安全评估