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激光冲击不锈钢焊接件应力应变有限元分析

来源:至德钢业 日期:2020-05-19 23:50:21 人气:94

金属焊接结构不可避免的在焊接过程中会出现焊接热源所导致的温度分布不一致的现象,即焊缝温度最高,焊缝周围往两边逐渐降低。因此焊接件内部会产生焊接残余应力,残余应力使得焊接件内部极易发生断裂与变形,这直接影响了焊接件在实际应用工况中能否满足使用强度与寿命。焊接残余应力在零件内部产生膨胀,其硬度和刚度都发生改变,进而影响着焊接结构的质量。目前工业生产中主要采用“退火消除法、锤击消除法、振动消除法和喷丸处理等”来减弱焊接件中的残余拉应力对焊接件性能的削弱作用。但是现存的普通的改善焊接残余应力的方法不可避免地可能会使焊接工件的表面被氧化,且并不能完全消除拉应力,只能在一定程度上有所降低。激光冲击强化的方法可以在焊接件表面带来很强的冲击作用,通过引进大量的位错改变焊接区表层晶粒的存在形式,在微观层面上消除焊接件表层残余的拉应力,随着塑性变形程度的增加进一步引进一定深度的残余压应力层,焊接件的抗疲劳特性、耐磨性以及抗应力腐蚀特性也随着压应力层的生成而有很大改善。

在日本的一些关键工业领域,比如核电站中的许多承受大压力的容器的密封焊接的强化都采用激光冲击的方法,这种方法使得密封容器焊缝处的性能有很大改善。在国内,南京工业大学彭薇薇等人对激光冲击304不锈钢焊接件的焊接区域进行研究,探究这种处理方法对焊接件抗应力腐蚀性能的影响,试验结果表明,采用这种方法表面处理后,焊接件的焊接接头抵抗氯化物中氯离子的腐蚀性增强;江苏大学鲁金忠、张永康等人采用这种高效表面处理方法对TC4钛合金电子束焊缝进行试验研究,试验结果表明,这种高效表面处理方法可以给焊缝区带来数值很高的压应力,对这种焊接件的疲劳寿命也有很大改善;并且采用同样的处理方法与普通机械喷丸相结合对Ti6A14V钛合金电子束焊缝进行研究,发现两种方法相结合的处理方式带来了更大数值的表面压应力,最大残余应力出现在距表面2030μm左右。这些研究主要集中在这种高效表面处理方式在焊缝区域诱导出的残余应力的分布情况,以及表面处理后焊接件的整体性能的改善方面,仅仅关注在焊缝激光冲击强化工艺的优化上,并未涉及到焊接工艺参数和冲击强化参数的匹配和适应问题。

本章以316L不锈钢焊接件为研究对象,采用非线性有限元技术,建立了“焊接+激光冲击强化”应力分布模型,针对316L不锈钢氩弧焊及激光冲击强化不锈钢焊缝残余应力进行数值建模分析,研究脉冲能量对316L不锈钢焊接件残余应力/应变的影响规律,与试验数据进行对比,并对激光冲击前后焊接件表面的残余应变进行研究和分析,为激光冲击强化不锈钢焊缝工艺参数优化和选择提供依据。

不锈钢焊接过程及其激光冲击过程模拟

316L不锈钢焊接件为研究对象,所采用316L不锈钢泊松比(ν)为0.3,弹性模量(E)为195.6 Gpa,热膨胀系数为17.3 e-6/℃,导热系数为15 w/m℃,比热为500 J/kg316L不锈钢氩弧焊采用的是椭圆移动热源加热进行温度场求解,然后将得到的节点温度作为体载荷进行热力耦合分析获得焊接应力场,将焊接应力作为初始应力状态进行激光冲击强化模拟。

不锈钢焊接件焊接应力模拟结果分析

不锈钢焊接应力场涉及到热/力效应,属于热力耦合分析,首先对温度场进行求解,计算出各个节点处的温度数值,通过温度到应力的转化得出焊接件焊接后的应力分布。应力场的分析主要沿三个方向进行,分别是平行焊缝、垂直焊缝和厚度方向。根据温度场的分析,由于焊缝及热影响区表面温度跨度较大,当热源到达该区域时,材料会发生瞬间熔化,体积由于受热产生膨胀,但周围的温度较低,会对焊接区的膨胀产生约束,从而形成弹性热应力;当热源离开后,材料温度会发生很快速度的下降过程,同时材料会快速收缩,并受到旁边金属的约束,此处会产生残余拉应力,而基体区域相对应地产生残余压应力。

4.5316L不锈钢焊接模拟的焊接应力分布云图与试验图片对比。(a)图是焊接件整体的应力分布云图,整个焊缝区域呈红色状态,即应力分布为拉应力;(b)图为焊接件截面的应力分布云图,可以看出靠近上下表面的残余拉应力区域较宽,中心拉应力区域相对较窄,这与焊接方式采用双面焊接相符合,且整个焊缝区域可以分为三个部分,即焊接区域、热影响区域与基体部分,图中焊接区域残余拉应力值较高,热影响区域也有一定的残余拉应力,但拉应力数值较低,基体区域靠近热影响区的部分残余拉应力接近为0,而周围区域呈现压应力,这也与实际焊接结果相符合;图(c)为焊接件截面的表面金相,可以看出应力分布与实际焊缝截面各个区域的组织结构相对应,即焊缝区域应力分布云图与金相图片基本吻合。

本文采用ABAQUS非线性有限元模拟的方法研究了激光冲击对316L不锈钢焊接件焊接应力的影响,并分析讨论不同脉冲能量激光冲击对焊接件表面焊缝区域动态应变的影响。主要结论如下:

(1)脉冲能量越高,激光冲击后焊接区、热影响区以及基体区残余压应力值都有所增加,而残余压应力增加幅度随着脉冲能量的增加反而有所降低。

(2)脉冲能量越高,焊接件表面残余压应力层厚度以及试样截面中间部分的残余拉应力值也有所增加,同样其增加幅度随着脉冲能量的增加却有所降低。

(3)脉冲能量越高,焊接件表面应变峰值越高。60 ns后,激光诱导的冲击波衰减消失,焊接件表面应变也随之减弱,三种脉冲能量冲击诱导的应变曲线变化趋势基本一致。

本文标签:不锈钢焊接件 

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