厚板焊接接头残余应力和损伤分布的研究

对照标定曲线便可得出焊接构件的应力值.测试残余应力的方法是：在工件上放置磁弹性仪，仪器中的探测线圈检测出在磁弹性仪的交变磁场作用下铁磁材料产生的巴克豪森噪声MP，从而间接测出构件表面残余应力.

1.2实验步骤

本次实验由焊接技术人员制定实验焊接作业指导书，将试件的组装、定位焊、焊前预热、焊接过程控制及要求、焊后保温等要求做出相应规定，全过程经历“切割马板-火焰预热→气保焊打底→清根→自动埋弧焊图3→清根→盖面焊→保温图4→引弧板切割”等，焊接完成试件如图5所示.测量应力时的操作如图6所示，实验过程中需要不断变更方向获得不同方向的应力.

1.3标定实验结果

通过拉伸和压缩实验，得到拉压应力与巴克豪森噪声强度代表值MP的关系，即标定曲线，如图7所示.可取比较有代表性的点输入仪器，在测量构件的时候直接输出残余应力值.

2厚板焊接接头残余应力数值模拟及与

测试结果对比

本文基于商用有限元软件ABAQUS建立焊接钢厚板构件的数值分析模型，并在模型中利用DFLUX子程序导入Goldak9椭球热源模型来模拟焊接热源的移动.该热源模型能够方便应用于薄板、厚板、钢管等构件的焊接过程热输入，其模型方程如式1所示：

qx，y，z=63fQabcπexp -3x2a2+y2b2+z2c2.1

式中：x，y，z为模型的整体坐标值；Q为输入功率，f，a，b，c为热源形状参数，a，b，c为实际焊接熔池尺寸缩小20%得到9.本文将重点考虑4个不同厚度Q345钢焊接试件的残余应力分布，模型如图8所示.

4个构件由相同的材料Q345B钢组成，焊接参数与表1相同.材料将参照参考文献10-11]的16Mn钢进行设置，随温度变化的热物理性能比热、热导率、密度和热力学性能屈服强度、弹性模量、泊松比，如图9所示10-11.热边界条件计入热辐射和热交换边界条件，初始温度取20°C.已有的研究表明，对接焊缝的尺寸变化和焊接冶金性能对焊接力学性能的影响很小12，因此在有限元建模过程中予以忽略.

温度℃

本文采用顺序耦合法对厚钢板模型进行残余应力耦合计算，顺序耦合法是先求解温度场，再用温度场耦合求解应力场.为了模拟焊料的填充过程，采用在INP模型文件中加入“model change， addremove”程序段来实现生死单元法，对焊缝单元集合进行“杀死”和“激活”设置.

由于实际工程焊接厚钢板都是平放在地面进行的，而且研究表明最符合实际厚板焊接过程的边界条件需要约束焊缝区13，所以残余应力场的求解过程边界条件如图10所示.底面所有点都需要控制Z方向的竖向移动，底面点1固定各个方向的移动，点2和点4控制Y向和Z向的移动.

残余应力可以分为横向残余应力、纵向残余应力和沿厚度方向的残余应力3种；在ABAQUS有限元分析软件中，定义平行焊缝方向Y轴的S33为纵向应力，垂直焊缝方向X轴的S11为横向应力，沿厚度方向Z轴的应力为S22.

取对称一半构件可看到热源移动，从图11的热源移动中可以看出，整个焊接阶段的热源最高温度在1 500～1 600 ℃之间，与实际情况相符9.冷却阶段大约经历1 h，当厚板构件整体温度到达100 ℃以下可以认为冷却放热完毕.

在得到焊接温度场后，改变模型单元属性和材料参数，并导入之前模拟的温度场，采用顺序耦合法求出最终的残余应力场.

3厚板焊接接头残余应力测试结果对比

由于磁弹性仪测量深度最大只有0.2 mm，而且研究表明，由于最后一道焊对构件应力分布的影响比较大，厚钢板构件表面应力往往比内部应力大14.所以本文主要对焊接厚钢板构件的表面残余应力进行测量，通过对构件表面的焊接残余应力测量反映整个厚钢板构件焊接残余应力.测点沿长度方向均匀分布；垂直长度方向，距离焊缝越近，布置越多.测量结果分为垂直焊缝的X轴向应力和平行焊缝的Y轴向应力.

3.1沿Y轴应力

首先取平行于焊接方向的沿Y轴纵向分布残余应力进行研究，以40 mm厚构件为例.实验过程中测量了平行焊缝分布的纵向应力S33和横向应力S11，它们的分布如图12所示.

应力MPa

可以看出，在焊缝周围，沿Y轴纵向应力总体要大于横向应力，纵向应力值维持在300 MPa左右；横向应力值比较小，大小为50 MPa左右.焊接接头边缘与中间部位应力有差异，主要原因是经过火焰切割引弧板的工序导致焊缝边缘应力出现突变.

由于纵向应力值比较大，将重点讨论纵向应力S33的分布，取厚钢板板件的残余应力实验和数值模拟结果对比，如图13所示.

可以看出，纵向应力的实验测量数据点基本在数值模拟结果曲线周围，可以认为数值模拟结果和实验结果吻合.沿Y轴纵向应力主要呈现中部高，边缘低的趋势，和数值模拟分析结果一致.

取厚钢板大小坡口两表面的残余应力实验测试结果对比，如图14.可以看出，大坡口面纵向应力比小坡口面的应力大，去除边缘的应力取平均值，可得出40 mm厚钢板小坡口面应力与大坡口面应力比值为0.7，而80 mm厚钢板的比值为0.93.

沿Y轴距离mm

图1440 mm厚构件应力对比

Fig.14 Comparison of stresses in 40 mmthick member

本文将4个厚度的构件数值模拟结果和实验结果进行对比，如图15和16所示.

可以看出，25 mm厚构件应力值比较小，纵向应力大都小于270 MPa，焊缝及其热影响区HAZ内纵向残余应力整体上随着板厚度的增加而增加，这种趋势在25～60 mm之间表现得很明显，60～80 mm时有所减弱.主要原因是厚钢板焊接过程中板厚度越大，其受到自身的约束越多，所以焊接热应力也越大；但是焊接过程中每一层先焊的焊道对周围的母材有预热作用，而预热会对焊接热残余应力有显著的削弱.

沿Y轴距离mm

可以看出，纵向应力实验值在距离焊缝20 mm左右基本达到峰值，之后在30～80 mm之间数值迅速减小，在远离焊缝的区域纵向应力数值比较小，甚至出现负值，但是变化都不大.测试结果基本在数值模拟结果曲线周围，说明实验结果和数值模拟结果比较吻合.

对40～80 mm厚的钢板沿X轴分布的纵向残余应力求均值，并取比较有代表性的5个点绘成沿X轴分布的纵向残余应力一般分布图，如图19所示.对厚度小于40 mm的厚钢板纵向残余应力需要将模型数值适当调低.模型基本体现了沿X轴分布的纵向应力的分布特征，在近焊缝区域应力比较大，在远离焊缝区域应力比较小.

沿X轴距离mm

4构件在低周往复荷载作用下损伤分布

损伤是描述材料性能弱化的一个指标，通常用一个变量D来描述损伤大小，当某个单元的D达到1时该单元失效了.本文将采用积累损伤来评价在外部循环荷载作用下残余应力对厚板构件的影响.

本文的损伤累积模型基于塑性应变进行计算，将在低周往复荷载作用下的塑性应变累积描述成一个损伤变量D，受力状态下的损伤变量可以表示为式215

D=1-βεpmεpu+∑Ni=1βiεpiεpu.2

损伤变量的值为N次循环中的每次循环中塑性应变εpi与极限塑性应变εpu的比值之和，β为一个权值，对Q345钢取值0.011 816.材料弹性模量、屈服强度和强化系数因损伤累积而产生，随荷载循环次数增加而退化15.

该损伤模型是基于常用的钢材双线型模型，由沈祖炎等15提出适合钢材的考虑损伤累积的滞回模型.北京交通大学的杨娜17等基于用户子程序UMAT，将积累损伤模型应用于ABAQUS的相应数值模拟中.本文首先基于ABAQUS子程序DFLUX对厚钢板构件焊接残余应力进行了顺序耦合分析，然后对存在残余应力的模型施加低周往复荷载，最后采用UMAT引入累积损伤模型对焊接残余应力影响下的构件累积损伤分布进行研究，模拟流程如图20所示.

本节所选焊接构件为本文表1所示的两块300×250×t mm3钢板对接焊接，非焊接构件为600×250×t mm3模型，其中t为板厚，各取25 mm，40 mm，0 mm 3试件共6块板件模型进行数值模拟分析，同厚度构件模型网格划分也相同.试件损伤分析前，提取本文第二部分模拟得到的焊接残余应力场，然后导入相同网格的构件模型内，嵌入已验证的子程序UMAT分析构件累积损伤

可以看出，滞回曲线呈饱满的仿锥形，随着加载次数增加，各级循环的弹性模量逐渐降低，体现了循环累积损伤对滞回性能的影响.通过对比可以看出，有残余应力影响的构件承载力与刚度较无残余应力影响构件小，说明焊接残余应力对构件刚度和承载力有一定的削弱作用.

图23为不同厚度构件在循环加载制度下第一象限位移荷载骨架曲线及其对比.可以看出，骨架曲线表现为随着位移的增大，荷载平稳增大.在循环加载过程中有明显的强化现象，但在加载到10 mm后强化现象不明显.焊接残余应力对构件承载力有显著影响，并且随着厚度增加，影响增大.3组构件中，60 mm厚板的残余应力对构件往复荷载作用下的承载力削弱影响最大.

由于式2中的损伤值D在ABAQUS中尚未开发，本文专门将损伤值D作为一个独立变量Depvar写入UMAT中，在ABAQUS模拟完成后采用SDV变量输出的方法得到构件的损伤分布.位移mm

由本文第3部分可知，残余应力主要集中在焊缝及其热影响区，因此取构件焊缝表面的损伤分布进行研究.以起焊点为原点，沿焊缝全长的损伤分布如图24所示，可知损伤分布也沿焊缝中间大、两边小分布.对比图中不同厚度构件的模拟结果，可知在相同大小的低周往复荷载作用下，构件厚度越小，承载力相对越小，屈服后产生的塑性应变越多，焊缝表面的损伤值越大.可知构件承载力仍然是决定其累积损伤值大小的主要因素.对比相同构件有无残余应力影响的结果可知，残余应力对构件焊缝区有较大的影响，但没有达到破坏损伤值1，可知残余应力增大了焊缝表面的累积损伤.

距离mm

5结论

采用磁弹法对不同厚度厚板焊接接头进行残余应力测量，得到了Q345钢的标定曲线，也得到厚板焊接接头残余应力值.同时，基于ABAQUS及其子程序DFLUX对残余应力进行了数值模拟验证，并修改子程序UMAT引入积累损伤模型，把求解温度场、残余应力、损伤评价连成一体，输出损伤值，为今后实际工程中钢构件焊接残余应力的估算和损伤评价打下了理论基础.

1 采用埋弧自动焊进行焊接的实验研究和数值模拟验证，主要研究厚钢板表面应力分布.焊缝处的纵向残余应力总体大于横向残余应力.焊缝及其热影响区纵向残余应力的拉应力较大.

2 沿Y轴向呈中间大边缘小分布.小坡口面应力小于大坡口面应力，两者比值处于0.65～0.95之间.沿焊缝长度分布的横向应力在边缘表现为比较大的压应力.沿垂直焊缝方向分布的纵向应力在焊缝及其热影响区内出现峰值，远离焊缝变小，并可能出现压应力.

3 由于随着板厚度的增加，厚钢板在焊接过程中自身约束的不断增多，沿Y轴分布的纵向残余应力不断增大，这种趋势在板厚处于25～60 mm之间表现得很明显，但在构件厚度大于60 mm后不显著.横向残余应力随厚度变化不显著.

4 焊接构件在低周往复剪切位移荷载作用下，计算得到的骨架曲线有明显的强化现象；构件承载力仍然是决定累积损伤值大小的主要因素；焊接残余应力对厚钢板焊缝区积累损伤分布有一定影响，并随着厚度增加，影响增大.

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