异种钢管接头焊接残余应力有限元数值模拟现状及发展

【摘 要】 在焊接结构中，为了发挥材料的最佳性能，往往需要采用异种钢焊接接头，而异种钢焊接接头在长期使用过程中，发生了许多事故，迫使国内外的学者从各个方面不同角度研究异种钢焊接接头失效的原因。本文主要结合焊接残余应力对异种钢管接头焊接结构的影响及研究焊接残余应力的必要性，论述了管接头焊接残余应力有限元数值模拟的现状及发展。

【关键词】 异种钢管接头 焊接残余应力 数值模拟

在焊接结构中，为了发挥材料的最佳使用性能往往需要采用异种钢焊接接头，如电站、石油化工工业的结构中，经常将奥氏体不锈钢与珠光体耐热钢或其它铁素材料焊接在一起，有时由于生产条件的限制采用奥氏体焊条焊接淬硬倾向较高的高强钢，以便在没有预热的条件下防止接头产生冷裂纹。这两种形式的奥氏体/铁素体异种钢焊接接头至少存在一个成分和组织相差较大的熔合界面，有于界面两侧材料的物理性能不匹配，热膨胀系数、导热系数存在明显差异，因而将在界面区域内（熔合区）产生较大的热应力，并且熔合区内存在一层马氏体组织[1]，如果接头在交变温度下工作，热应力可能会导致接头的早期开裂[2]。同时，异种钢焊接接头由于材料的热膨胀特性不同而在焊缝附近引起很大的热应力；碳可能从铁素体的一侧迁移到奥氏体的一侧，从而在铁素体的一侧出现局部薄弱区域[3]。

异种钢焊接接头在长期使用过程中发生过许多次破坏事故，迫使国内外许多专家、学者从各个方面以不同角度去研究异种钢焊接头破坏原因。美国、日本等国的学者们在金相分析、弹塑性应力分析及疲劳等方面进行了数值计算和实验研究工作。国内在此方面也有一些研究。但是对异种钢接头在焊接过程中所产生残余应力的研究比较少见，而这种焊接残余应力的存在对异种钢接头强度的影响是不能忽视的。

1 焊接残余应力对焊接结构的影响

在没有外力作用下，焊件中焊接残余应力为自身相互平衡分布的内应力场，我们常常称为焊接残余应力场[4]。在焊接过程中，焊接区以远高于周围区域的速度被急剧加热，并局部熔化。焊接区材料受热而膨胀，热膨胀受到周围较冷区域的约束，并造成（弹性）热应力，受热区温度升高后屈服极限下降，热应力可部分超过该屈服极限。结果焊接区形成了塑性的热压缩，冷却后，比周围区域相对缩短、变窄或减小。因此，这个区域就呈现拉伸残余应力，周围区域则承受压缩残余应力。冷却过程中的显微组织转变会引起体积的变化，如果这种情况发生在较低的温度，而此时材料的屈服极限足够高，则会导致焊接区产生压缩残余应力，周围区域承受拉伸残余应力。焊接残余应力，是焊接工程研究领域的重点问题。

异种钢焊接接头的力学性能（即应力与应变）较为复杂。首先焊接接头在焊后热处理或高温下运行时由于熔合区碳迁移层的存在，使得焊接接头在经历持续的加热和冷却过程中其焊接应力会不断发生变化。这种变化所造成的拘束应力主要集中在增碳层，进而导致使用过程中焊接接头发生断裂。其次简单的焊后热处理不能彻底消除焊接残余应力，其作用只能让焊接应力重新进行分布。最后，奥氏体钢和珠光体钢的热膨胀系数有所不同，需要在焊接时添加过渡层来进行缓解。焊后由于焊缝和熔合区附近受拉应力影响，而热影响区中远离焊缝边缘的金属受压应力的影响（但其在更远处又改为拉应力）。经过以往的试验分析，焊后焊缝和热影响区表现为拉伸应力，熔合区附近为平衡区（无应力作用）；在进行热处理后，焊缝中仍保持拉应力，而热影响区中则变为压应力。

试验表明，焊接熔合区的应力分布不仅与两种焊接材料的热膨胀系数和原子排列有关，还与焊接过程中金属的凝固收缩及其固态相变有关。对于不锈钢焊缝来说，冷却过程中首先析出δ-Fe相的凝固结晶进而形成δ-γ的固态相变，伴随这两个过程都会产生相应的应力变化。与此同时，对于珠光体耐热钢的热影响区来说，在焊接热循环冷却过程则是γ-α固态相变。这是一个体积增大的过程，会导致压应力的产生。此外焊接过程中外加应力也会对焊接接头的应力分布造成很大影响。

2 国内外对接管道环焊缝应力数值模拟发展动态

焊接过程中应力应变的研究工作始于二十世纪三十年代，但是研究工作只能是定性的和实测性的。五十年代，前苏联学者奥凯尔布洛母等人在考虑材料机械性能与温度之间的相互依赖关系的情况下，用图解的形式分析了焊接过程的热弹塑性性质及其动态过程，并分析了一维条件下对焊接应力应变的影响。六十年代，由于计算机的推广应用，对焊接应力应变的数值模拟才发展起来。

20世纪70年代初，日本大阪大学的上田幸雄教授等人首先以有限元法为基础，提出了考虑材料力学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，导出了分析焊接应力应变过程的表达式。1973年，Vaidyanathan利用板壳理论，在分析平板对接过程焊接应力的基础上，提出了薄壁管对接环焊缝残余应力的计算方法，并将计算结果与试验结果进行比较，结果表明，计算值与试验合较好[5]。但该方法是作为二维应力状态模型得到的计算公式，对于厚壁管道的三维应力状态就不再适用了。

随着对热—弹塑性理论的深刻认识和有限元方法的广泛应用，德国学者Argyis首先提出用热弹—粘塑性组成的方程来分析焊接应力。BYY Dong建立了奥氏体不锈钢管道环焊缝的残余应力三维有限元模型。结果表明，近缝区内表面轴向残余应力为拉应力，外表面为压应力；而环向内外表面的残余应力均为拉应力；管道壁厚对管道环焊缝残余应力的影响显著，薄壁管道焊后产生较小的轴向残余应力和较大的环向残余应力。瑞典的L Karlsson等也对薄壁管道的焊接残余应力进行了分析，计算中还考虑了材料性能的温度依赖性和相变膨胀的影响。到1997年，新型焊接方法的广泛应用，L E Lindgren等用三维热—力耦合的有限元方法模拟了大型铜罐电子束焊接接头残余应力，估计了由此引起的铜罐的蠕变损伤程度。T Lnoue等人研究了伴有相变的温度变化过程中，温度、相变和热应力三者之间的耦合效应，并提出了在考虑耦合效应的条件下本构方程的一般形式。

我国的焊接应力应变的数值模拟主要起步于20世纪70年代，首先是西安交通大学的楼志文等人把数值分析应用到焊接温度场与热弹塑性应力场的分析中，编制了热弹塑性有限元分析程序并对两个较简单的焊接问题进行了分析。1983年，上海交通大学的陈楚等人系统地分析了热弹塑性理论，推导出了有限元计算公式，并在此基础上编制了相应的计算机程序[6]。近年来清华大学，天津大学等在焊接应力数值模拟都取得不错成果。董俊慧，霍立兴等人采用ADINA软件对管接头环焊缝的残余应力进行了二维和三维的残余应力有限元数值模拟[7]，结果显示管接头环焊缝在利用二维和三维有限元数值模拟应力分布结果基本都与实验一致。虽然国内的焊接应力应变数值模拟起步较晚，但是发展迅速，解决了许多实际应用问题，已经成为研究焊接领域不可缺少的部分。

3 异种钢焊接数值模拟发展趋势

（1）异种金属焊接接头的组织变化情况是比较复杂，很容易形成粗大晶粒等缺陷。因此，如何改善异种金属焊接接头组织仍然是一个难题。在今后的研究工作中，人们可以从焊材的匹配、冷却速度的控制和焊后热处理等方面寻找突破口。异种金属焊接接头的力学性能、高温性能和腐蚀性能等往往低于母材，并存在复杂的应力分布，其中熔合区是最薄弱环节，如何提高熔合区的综合性能是今后异种金属焊接研究的重点与难点。现代先进的检测手段和日益发展的计算机模拟技术将成为主要的研究手段。

（2）目前焊接模拟有从宏观到微观不断发展的趋势：通过之前建立在温度场、电场、应力应变场等基础上，预测宏观尺度变化的有限元模拟逐渐进入到以预测焊接构件的组织、结构、性能为目的的中观尺度及微观尺度的模拟阶段。

（3）由起初解决焊接中遇到的共性通用问题发展到解决难度更大的专业性问题，包括解决工艺优化问题和特种焊接模拟，解决焊接缺陷消除等。

4 结语

已有的数值模拟研究成果已经使我们对复杂的焊接过程有了深入的了解，为解决焊接残余应力带来了新思路和新方法。因此，我们有理由相信，随着人们对焊接残余应力认识的深入和计算机技术的高度发展，焊接残余应力数值模拟技术具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]王智慧，刘芳.用弹性有限元方法分析管状异种钢焊接接头的热应力分布[J].北京工业大学学报，1998.5，18-22.

[2]Canpbell G M Evaluation of Factors Controlling High Temperature Service Life of Crl Mo Steel to Austenitic Stainless Steel Weldments，Trends in Welding Research in United States.Proc. conf.New Odeans.1981.16-18.

[3]闵行，赵挺，王能道.异种钢接头焊接残余应力分析及实验研究[J].机械强度，1997.6.

[4]黄建民.有限元技术的发展及其在装备制造业中的应用[J].上海电机学院学报，2010，1（3），2-9.

[5]Vaidyanathan. Residual stress due to circumferential welds.ASME Journal of Engineering；Materials and Technology.1973，73：233-239.

[6]李义.钢结构焊接残余应力分析[D].武汉理工大学硕士论文，2004.

[7]董俊慧，霍立兴，张玉凤.环焊缝管道焊接应力应变三维有限元分析[J].机械工程学报，2001.37（12），84-88.