钢管对接焊残余应力数值分析

应晓波

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆400074)

Q420 钢是屈服强度不低于420Mpa 的低合金高强钢，其抗拉强度达到550～580MPA，主要用在桁架、网架、网壳、和输电领域的钢管塔中，在钢结构桥梁中也有一定的研究应用[1-3]，充分体现了钢管的受力优势。如果焊接时不进行预热或层间温度不合适，焊接接头中都有产生焊接冷裂纹的风险。通过对Q420钢管不同预热温度下的残余应力峰值及分布进行有限元计算，分析了钢管焊接残余应力随不同预热温度的变化规律，最终得出了Q420 焊接圆钢管最佳层间温度为200℃。

1 有限元模型的建立

1.1 几何模型的建立

本次有限元计算采用壁厚为40mm、直径1000mm、轴向长1200mm 的两根钢管构件。打底焊采用手工电弧焊焊接，中间的填充层以及盖面焊采用熔化极气体保护焊（GMAW）进行焊接。模型中，赋予的模型的材料物理性能参数和力学性能参数是随温度变化而变化的函数[5]。由于焊缝层数比较多，考虑到保证计算精度的同时尽量节省计算时间，通过网格无关性计算分析可知[6-7]，在焊缝及热影响区划分较密的网格，单元边长控制在2mm 左右，远离焊缝的区域划分相对较粗的网格，单元边长控制在4mm 左右，其间需要进行过度网格划分，尽量保证生成的网格是六面体形式。计算结果表明按照这样划分的网格尺寸足以满足计算精度的要求。

1.2 热源模型

由于采用的是气体保护焊，焊缝熔池的形状呈现热源前部较大，热源后部较小的椭圆形状，双椭球热源模型函数表达式如下：

双椭球热源前半球函数：

双椭球热源后半球函数：

2 焊接工艺参数与边界条件

焊接时室温为20℃，焊接热源工艺参数为：焊接电流180A，焊接电压30V，焊接速度4mm/s。计算时，为考虑焊件与周围环境的换热，利用sysweld 内置的表面效应单元，在模型的表面设置对流和辐射换热边界条件。对流和辐射边界条件综合考虑为一个换热系数30W/(m2·℃)。在热源加载的过程中，使用单元生死功能来模拟焊缝的填充过程，进而达到精确仿真的目的。

3 温度场计算结果

为研究Q420 钢管多层多道焊的焊接过程中温度场变化规律，本文以不预热条件下的焊接温度场为例进行分析，打底焊填充过程中温度场高温范围较小，焊缝填充部分的温度已超过了Q420 钢材熔点，且温度梯度呈现从热源中心向外由密而疏的规律。热源前半球温度梯度大于后半球温度梯度，左右对称分布，焊接过程中热源的峰值温度可以达到1856℃，在焊接填充焊道时，熔池的形状因填充焊道的位置不同而不同，第5 道焊道在填充过程中焊件的温度分布并不对称，熔池中的最高温度为1841℃。是钢管内壁从打底焊道中心向右取点的温度时程曲线，由于整个焊接过程是三层六道焊，所以每条温度时程曲线呈现出六个波峰，随着焊接进程的进行，每个波峰的峰值不断降低，这是因为与热源距离的增加所致。对不同预热条件热分析结果研究表明，预热温度（层间温度）升高，焊接时最高温度升高，焊后冷却速度降低。

4 应力的计算结果

4.1 焊后残余应力分布

为了清楚直观地显示出有无预热的情况下焊后残余应力场的分布情况，以未预热和预热温度为200℃条件为例，分析纵向残余应力σY横向残余应力σX、Von Mise 等效残余应力σvon在钢管表面外侧的分布规律，由数值分析结果可知，环向残余应力σY水平较高，未预热峰值应力可达到462 Mpa，热处理后峰值应力降低到360Mpa，焊缝中心和焊接热影响区出现了应力集中。横向残余应力σx的水平也较高，未预热峰值应力可达到283 Mpa，热处理后的峰值应力降低为220 Mpa，且在不同深度处显示出不同的应力性质，在打底焊层中为拉应力，而在最后一层盖面焊焊道中为压应力。

由于热处理方式的差异，因此应力大小和分布在焊件中会存在一定差异。在钢管外表面沿钢管轴向取一条路径所示。研究热处理变化对于σx、σY、σvon在路径上的分布变化规律，结果如图1 所示。（a）可以看出，焊前预热使焊缝区域纵向残余应力σy峰值由462 Mpa 降低为360 Mpa，降低幅值达到了22.07%，热影响区的残余应力由未预热的压应力变为了拉应力，有效改善了热影响区的受力特性。由图1（b）可知，焊前预热使焊缝区域横向残余应力σX峰值由283 Mpa 降低为220 Mpa，降幅达22.26%。并且将高应力值的分布范围缩小，使得构件整体应力水平降低。由图1（c）可知，焊前预热使得焊缝区等效残余应力σvon由564Mpa 降低为420Mpa，降幅高达25.53%。

图1 钢管预热与否残余应力对比

4.2 预热温度对焊接残余应力的影响

可以看出，随着预热温度的升高，横向残余应力、纵向残余应力、等效残余应力的峰值均有不同程度的下降。且曲线斜率由陡转缓，在200℃斜率变为0，等效残余应力达到最小值，不预热时残余应力水平整体较高，等效残余应力峰值可达到564Mpa，已经超过了Q420 钢材的屈服强度，因此容易引起焊缝和热影响区开裂。焊前进行100℃预热（层间温度），焊后冷却各向残余应力峰值以及等效残余应力峰值均呈现不同程度的降低，σvon峰值降低了86Mpa，σy峰值降低了46 Mpa，σx峰值降低了32 Mpa；焊前进行150℃预热时，σvon峰值降低了30Mpa，σy峰值降低了16 Mpa，σx峰值降低了8 Mpa；而焊前进行200℃预热时，相比于150℃，各应力峰值均降低得较少，σvon只降低了18Mpa，σy峰值降低了14 Mpa，σX峰值降低了6 Mpa，但是相比不预热条件σvon下降了144Mpa，σy降低了98 Mpa，σx降低了62 Mpa。因此可以看出焊前对焊件进行100℃以上预热对于降低焊接残余应力、降低冷裂纹敏感性是有效的。

5 结论

5.1 建立了Q420 钢材40mm 壁厚钢管多层多道焊的sysweld 有限元模型，分析了不同预热温度（层间温度）对构件焊接温度场、应力场分布的影响。

5.2 随着焊接预热温度（层间温度）的提高，各向残余应力峰值均有不同水平的下降，不进行焊前预热时，残余应力水平很高，引起焊接冷裂纹的风险较大。采用100 摄氏度预热温度（层间温度）时，等效残余应力峰值下降较多，继续提高预热温度，应力值下降较少。预热温度超过200℃以后，残余应力值随着预热温度的升高而增加。

5.3 Q420 高强度钢材多层多道焊接的最佳预热温度（层间温度）为200℃。