超声滚压加工对X80管线钢焊接残余应力的影响

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王炳英， 詹发福， 李慧玲， 高志伟

( 中国石油大学(华东) 机电工程学院，青岛 266580)

摘 要：建立超声表面滚压加工(ultrasonic surface rolling process， USRP)的三维有限元模型，开发了模拟焊接的移动双椭球热源子程序，利用有限元软件ABAQUS模拟了X80管线钢焊缝不同方向的焊接残余应力，在此基础上叠加USRP的超声振动与静载荷的综合作用，模拟了表面塑形变形、应力和应变，耦合后分析了USRP前后残余应力的变化规律. 结果表明，经过USRP处理，X80管线钢表面焊缝区由三向残余拉应力变为三向残余压应力，随着USRP次数的增加，残余压应力数值不断增大，残余应力σx,σy,σz变化规律基本相同.

关键词：超声表面滚压加工；有限元模拟；残余应力

0 序 言

目前降低残余应力的方法主要包括焊后热处理、力学形变法和温差形变法[1-3]. 然而焊后热处理对一些大型构件较难实现、成本高，而且容易改变材料的性能；力学形变法和温差形变法通过协调母材与焊缝变形降低残余应力，改变构件尺寸，有一定的局限性.

超声滚压加工(USRP)技术是一种利用喷丸冲击能与静载滚压相结合的加工方式[4-6]，能够细化材料表面晶粒至纳米量级，提高材料表面硬度和疲劳强度. 国内外针对各类表面纳米化方法进行了大量研究，Bagherifard等人[7]研究发现39NiCrMo3喷丸加工后疲劳强度提高，但是高动能喷丸会使表面粗糙度增加；Kim等人[8]研究了喷丸处理的中碳钢耐疲劳性能，发现喷丸加工后中碳钢疲劳寿命得到改善、疲劳极限提高；Wang等人[9]研究发现USRP加工后40Cr表层获得纳米层、表面产生残余应力.

目前对于USRP的研究主要通过试验来完成，而采用数值模拟方法进行研究的报道相对较少，且关于USRP改善焊接接头的焊后残余应力的研究尚未见报道. 文中通过开发模拟焊接的移动双椭球热源子程序，利用有限元软ABAQUS模拟焊缝的USRP过程，得到超声滚压加工前后残余应力的变化规律,分析了加工次数对超声滚压残余应力场分布的影响规律.

1 有限元模型

1.1 温度场模拟

由于焊接方法为焊条电弧焊，采用由两个前后1/4椭球组成的标准Goldak双椭球热源可以较为准确的模拟焊条电弧焊热源模型，数学表达式如下[10],即

模型前半部分椭球的体热流密度分布为

(1)

模型后半部分椭球的体热流密度分布为

(2)

式中：a，b，cr，cf为热源形状参数；Q为热输入功率；v为焊接速度;ff，fr为模型前后椭球的能量分配系数. 通过FORTRAN语言编写热源子程序DFLUX，在ABAQUS中调用该子程序进行计算.

1.2 几何模型的建立及网格划分

USRP处理过程中通过工作头将静压力和超声冲击振动传递到旋转的机械零部件表面，其工艺参数主要包括：机床主轴转速、工作头进给量、静压力和振动频率等[9]. 利用现有的计算机技术直接模拟20 kHz超声频率的机械振动显然难以实现. 由于对工件表面施加静载和超声频率的冲击后材料表层发生强烈塑性变形，且不同静载对应不同的塑性变形量，因此文中通过给定工作头一定的位移载荷，对USRP的冲击过程进行模拟.

有限元三维模型尺寸：X80管线钢长宽高为240 mm×240 mm×14.6 mm，焊缝为“V”形坡口，坡口40°，根部间隙1.5 mm. 采用双层焊接并利用生死单元法形成焊缝金属. 为了更好的得到焊缝表面残余应力分布，模型网格局部进行加密，网格划分模式如图1所示，共有83 582个节点和76 650个单元. 温度场采用DC3D8(8节点线性传热四面体)单元，应力场计算采用C3D8(8节点线性实体)单元. 热分析和力分析采用相同的模型结构和节点数.

图1 网格划分示意图

Fig.1 Schematic drawing of mesh generation

USRP工作头模型为刚性体. USRP加工模拟如图2，因为相关数据的缺乏，为减少计算时间简化工作头集合1下压0.1 mm，然后工作头集合2下压0.1 mm.

图2 USRP加工模拟示意图

Fig.2 Schematic diagram of USRP

1.3 模型参数

使用有限元分析软件ABAQUS采用顺序耦合热应力分析技术. 首先，热传导分析得到焊接温度场；在应力分析中，温度场作为外部载荷产生热应变；最后，进行USRP加工的数值模拟. 焊接工艺参数如表1.

表1 焊接工艺参数

Table 1 Welding process parameter

焊接电流I/A电弧电压U/V焊接速度v/(cm·min-1)根焊90206填充、盖面焊23018．518

在焊接过程中，构件与周围环境通过对流和辐射进行热交换. 根据牛顿定律[11]，对流热交换与气体接触的构件的表面其热流密度同温度之差成比例. 根据描述牛顿冷却方程为

qc=ac(T-T0)

(3)

式中:(T-T0)为气体接触的构件表面温差；ac为对流系数，在模拟中取10 W/(m2·K). 构件与环境之间的热辐射热交换用斯蒂芬-波尔兹曼定律[7]描述，它们之间的净热量传递为

(4)式中：q为热流率；ε为辐射发射率，这里取0.85；σ为Stefan-Boltzman常数，取值5.67×10-8 W(m2·K4).

初始温度取20 ℃，在残余应力分析和USRP加工分析中，约束X80管线钢底部4个端点所有自由度，限制焊件的刚性移动. 焊接是非线性瞬态热传导需要考虑材料的非线性，受温度变化的X80管线钢材料热物理性能见表2[12].

表2 X80管线钢热物理性能

Table 2 Thermophysical properties of X80 pipeline

温度T/℃比热C/(J·kg-1·℃-1)密度ρ/(g·cm-3)杨氏模量E/kPa屈服强度ReL/MPa热导率λ/(W·m-1·℃-1)热膨胀系数α/10-5K-1204237．8121064154．421．101004737．7920762354．011．15367．7720459752．751．224006627．72187．555047．711．358009147．61118．610027．551．48120011607．5039．51540．001．34

2 USRP模拟结果与分析

2.1 残余应力分布情况

沿x,y和z轴方向的残余应力分别为σx,σy和σZ，图3中曲线0表示管线钢焊后残余应力σy分布，曲线1～8表示经过1到8次USRP处理后表面残余应力σy分布. 未进行USRP加工的焊缝产生了较高的残余拉应力，但在焊缝中心区残余拉应力急剧减小. 焊缝残余应力呈阶段变化：经过1，2，3次USRP加工后焊缝残余应力分布基本相同，焊缝两侧仍然为残余拉应力，拉应力从最高处345 MPa减小到43 MPa，焊缝中心产生残余压应力，压应力平均-50 MPa；经过4～7次USRP加工后焊缝残余应力分布基本相同，焊缝所有区域全部产生残余压应力，压应力在-130 MPa以下，压应力数值最低达到-174 MPa；经过第8次USRP加工焊缝区域残余压应力继续增大，压应力在-210 MPa以下，最小值达到-290 MPa. 随着加工次数的增加，焊缝区域的残余压应力增大.

图3 USRP前后焊缝表面残余应力σy分布

Fig.3 Residual stress distribution(σy) before and after USRP

图4为焊缝滚压加工前后残余应力σx的分布曲线，随着USRP加工遍数的增加，焊缝区纵向残余应力明显降低，最低达到-92 MPa. 图5为焊缝滚压加工前后残余应力σz分布曲线，加工前残余应力σz呈双峰分布，加工遍数对σz的影响规律与σx,σy两类残余应力相同，分为3个阶段，加工遍数8遍时，应力达到最低，其数值由660 MPa最低降至-300 MPa. 经USRP加工处理后焊缝表面的3向残余应力得到明显降低，在焊缝区产生了3轴压缩应力.

图4 USRP前后焊缝表面残余应力σx分布

Fig.4 Residual stress distribution(σx) before and after USRP

图5 USRP前后焊缝表面残余应力σz分布

Fig.5 Residual stress distribution(σz) before and after USRP

2.2 等效塑性应变分布情况

图6为焊缝表面在USRP前后的等效塑性应变分布. 曲线0表示未进行USRP加工管线钢等效塑性应变分布，曲线1～8表示经过1到8次USRP加工处理后等效塑性应变分布. 可以看出，经USRP加工处理后的焊缝区表面等效塑性应变增大. 与残余应力σx变化规律相同，分为3个阶段：经过1～3次USRP加工焊缝区域等效塑性应变分布基本相同，最大值为0.133；经过4～7次USRP加工焊缝区域等效塑性应变分布基本相同，最大值为0.173；经过8次USRP加工焊缝区域等效塑性应变值最高值为0.249. 说明管线钢表层组织发生塑性变形.

图6 USRP前后焊缝表面等效塑性应变分布

Fig.6 Residual stress distribution on surface of weld before and after USRP

3 结 论

(1) 经USRP加工处理后焊缝表面的残余应力得到明显降低，在焊缝区产生了3轴压缩应力.

(2) 经过1,2,3次USRP加工后，焊缝两侧仍然为残余拉应力，焊缝中心产生残余压应力，压应力平均50 MPa；经过4～8次USRP加工后焊缝所有区域全部产生残余压应力.

(3) 残余应力σx,σy,σz分布规律基本相同，都分3个阶段：经过1～3次USRP加工焊缝区域残余应力分布基本相同；经过4～7次USRP加工焊缝区域残余应力基本相同；8次USRP加工焊缝区域残余应力又分为1个阶段.

(4) 经USRP加工处理后的焊缝区表面等效塑性应变增大. 与残余应力σx变化规律相同，分为3个阶段：经过1～3次USRP加工焊缝区域等效塑性应变分布基本相同；经过4～7次USRP加工焊缝区域等效塑性应变分布基本相同；经过8次USRP加工焊缝区域等效塑性应变值最高值为0.249.

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收稿日期：-01-14

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51105383)

中图分类号：TG 441.8

文献标识码：： A

文章编号：： 0253-360X()12-0087-04

作者简介：王炳英，女，1972年出生，博士，教授. 主要从事焊接结构的环境敏感断裂、腐蚀与防护方面的研究. Email: tdwby@