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摘要：建立了高温焊接工艺数值模拟模型，对在不同温度下高温焊接的温度场和焊接残余应力场进行了数值模拟。结果表明： 500℃，600℃和700℃温度下高温焊接焊缝中心点上纵向残余应力相对于常温焊接的降低幅度分别为：57.3%，73.1%和81.3%，横向残余应力的降低幅度分别为：17.6%，36.9%和63.8%；高温焊接使得应力场的分布趋于均匀化，温度越高，应力分布也越均匀。
关键词：高温焊接；数值模拟；残余应力
中图分类号：TG456
Abstract： This paper presents a numerical simulation model of high-temperature welding process. The temperature field and residual stress field of high-temperature welding at different temperature were investigated by numerical simulation. The numerical simulation result shows that： the longitudinal welding residual stress on high-temperature welding seam center point at 500℃， 600℃and 700 ℃ relative to normal welding decreases respectively： 57.3%， 73.1% and 81.3%， the transverse residual stress decreases respectively： 17.6%， 36.9% and 63.8%； the stress field distribution of high-temperature welding tends to be uniform， the temperature is higher， the stress distribution is more uniform.
Key words： high-temperature welding； numerical simulation；residual stress
0 前言
在焊接界关注的诸多问题中，降低或消除焊接残余应力是一项重要的课题。国内外的研究者对此也做了大量的研究工作，并在此领域取得了令人瞩目的成绩。按照过程的性质分类，调整和消除焊接残余应力的方法主要有以下三类：一类是温差形变法，其原理是利用热膨胀量引起的变形差来消除焊接残余应力，主要包括逆焊接温差处理与低温拉伸两种方法[1-2]；另一类是热作用形变法，即通常采用的焊后热处理方法[3]；第三类是力学形变法，经常采用的爆炸处理、振动时效以及过载拉伸等力学方法就属于力学形变法 [4]。高温焊接是一种刚刚产生、并且正在探索的消除焊接残余应力的新方法[5-7]。在该焊接工艺过程中将焊件加热到相变温度以下的某一指定温度后再进行焊接，焊接过程中继续加热以保持母材金属的温度基本不变，在焊接结束后正常冷却至常温。高温焊接试验的结果表明：高温焊接形成的焊接接头的残余应力低，疲劳寿命高，证实了高温焊接的优越性。但高温焊接物理试验的数据不全面，不能得到焊接过程中完整的焊接残余应力的分布、焊接过程中的变形过程也不易准确测量，有必要建立高温焊接的数值模拟模型，来对高温焊接的优缺点进行评估，并借助数值模拟手段对高温焊接工艺进行进一步的优化。
1 高温焊接数值模拟模型
模拟试验选用的材料是制造压力容器常用的16MnR低合金钢，焊接试板尺寸：240mm×200 mm×12mm。图1为其有限元网格划分模型，由于焊接试板几何尺寸和热力边界条件具有对称性，按1/2进行建模。为便于施加固支约束条件，防止发生整体刚性平移，在焊接试板的两端增加了类似于引弧板和熄弧板的模型。焊缝区单元尺寸1mm，其它区域依次递增，最大单元尺寸11mm。
1.1 温度场计算的边界条件
（1）假设焊接电弧为双椭球热源；
（2）仅考虑焊接试板外表面与周围环境的对流换热；
（3）焊缝中心面为绝热边界条件。
1.2 应力场的边界条件
（1）焊缝中心面施加对称边界条件；
（2）为防止焊接试板发生整体刚性位移，约束引弧板外端面所有节点方向的位移。
1.3 模型
焊接参数：功率为800W，焊接速度为6.5 mm/s。
双椭球热源模型的表达式如下：
其中，值取1，2，分别表示为前、后半个椭球对应的参数； ，分别为椭球的三个半轴长度；Q为理论热输入量；分别为随热源中心移动坐标系下的坐标。
文中模拟了在500℃，600℃和700℃温度下高温焊接时的温度场和应力场。
2 温度场模拟结果
为了简化焊接前的加热过程，此模型假设整个焊接试板在焊前500s内完成加热，即在前500s内对所有单元节点施加固定温度载荷，温度载荷由20 ℃线性增大到预定温度。焊接开始后，删除温度载荷，此时试件上各点处于预定温度。随后焊接试件在环境温度下冷却。
图2为不同温度下高温焊接试板焊缝中心线中点温度时程曲线。普通焊接视为温度为20 ℃的常温焊接过程。焊缝中心线上点的温度由于焊枪未到之时焊缝尚未填充，其温度视为20 ℃。从图2可以看到，高温焊接时温度越高，采用同样的热输入焊接时，峰值温度也越高，而且冷却速度也越慢。常温焊接的冷却速度则要快得多。
3 应力场模拟结果
图3、图4分别为不同温度下高温焊接试板焊缝中心线中点纵向应力和横向应力的时程曲线。从图中可以看到，常温焊接时焊缝区的纵向残余应力接近450 MPa，横向残余应力接近80 MPa，而高温焊接时残余应力均有所降低，温度越高，降低的幅度越大，700 ℃焊接时纵向残余应力约为80 MPa，横向应力约为30 MPa，几乎可以忽略不计。各温度下高温焊接焊缝中心点上纵向残余应力相对于常温焊接的降低幅度分别为：57.3%，73.1%和81.3%，横向残余应力的降
图5、图6为不同温度下高温焊接试板焊缝中心横截面纵向残余应力和横向残余应力分布曲线。高温焊接时残余应力的分布更为平坦，温度越高，应力分布越呈扁平化趋势。
4 结论
（1）高温焊接能有效地降低焊接残余应力，纵向残余应力的降低幅度高于横向残余应力的降低幅度。温度越高，降低的幅度越大。
（2）高温焊接使得应力场的分布趋于均匀化，温度越高，应力分布也越均匀。
参考文献
[1] 陈怀宁，陈亮山，林泉洪.逆焊接温差压应力层防护处理解决应力腐蚀开裂新技术[J].石油化工设备技术，1999，20（5）：49-51.
[2] 徐东，宋天民，张国福，等.逆焊接处理对金属材料抗疲劳性能的测试[J].辽宁石油化工大学学报， 2007，27（3）：38-40.
[3] 刘国伟，尚世显，黄文龙.焊接后热与焊后热处理温度对焊接残余应力松弛的试验研究[J].压力容器，1994，11（5）：23-27.
[4] 张德芬，宋天民.机械振动焊接对焊接残余应力的影响及机理分析[J].抚顺石油学院学报，2001，21（3）：53-56.
[5] 吕凯，赵亮.高温焊接对15CrMoR焊接构件抗应力腐蚀性能的影响[J].经济技术协作信息，2011（8）：118.
[6] 杨军，宋天民，管建军.高温焊接对16MnR钢疲劳寿命的影响[J].辽宁石油化工大学学报.2011，31（1）：25-27.
[7] 张智超，张国福，杨军.高温焊接对2.25Cr1Mo钢焊接残余应力的影响[J].热加工工艺，2010，39（21）：126-127.
收稿日期：2015-03-20
尹成江简介： 1967年出生，硕士，副教授，博士研究生；
主要研究方向为石化设备时效分析；[email protected] 。
关键词：高温焊接；数值模拟；残余应力
中图分类号：TG456
Abstract： This paper presents a numerical simulation model of high-temperature welding process. The temperature field and residual stress field of high-temperature welding at different temperature were investigated by numerical simulation. The numerical simulation result shows that： the longitudinal welding residual stress on high-temperature welding seam center point at 500℃， 600℃and 700 ℃ relative to normal welding decreases respectively： 57.3%， 73.1% and 81.3%， the transverse residual stress decreases respectively： 17.6%， 36.9% and 63.8%； the stress field distribution of high-temperature welding tends to be uniform， the temperature is higher， the stress distribution is more uniform.
Key words： high-temperature welding； numerical simulation；residual stress
0 前言
在焊接界关注的诸多问题中，降低或消除焊接残余应力是一项重要的课题。国内外的研究者对此也做了大量的研究工作，并在此领域取得了令人瞩目的成绩。按照过程的性质分类，调整和消除焊接残余应力的方法主要有以下三类：一类是温差形变法，其原理是利用热膨胀量引起的变形差来消除焊接残余应力，主要包括逆焊接温差处理与低温拉伸两种方法[1-2]；另一类是热作用形变法，即通常采用的焊后热处理方法[3]；第三类是力学形变法，经常采用的爆炸处理、振动时效以及过载拉伸等力学方法就属于力学形变法 [4]。高温焊接是一种刚刚产生、并且正在探索的消除焊接残余应力的新方法[5-7]。在该焊接工艺过程中将焊件加热到相变温度以下的某一指定温度后再进行焊接，焊接过程中继续加热以保持母材金属的温度基本不变，在焊接结束后正常冷却至常温。高温焊接试验的结果表明：高温焊接形成的焊接接头的残余应力低，疲劳寿命高，证实了高温焊接的优越性。但高温焊接物理试验的数据不全面，不能得到焊接过程中完整的焊接残余应力的分布、焊接过程中的变形过程也不易准确测量，有必要建立高温焊接的数值模拟模型，来对高温焊接的优缺点进行评估，并借助数值模拟手段对高温焊接工艺进行进一步的优化。
1 高温焊接数值模拟模型
模拟试验选用的材料是制造压力容器常用的16MnR低合金钢，焊接试板尺寸：240mm×200 mm×12mm。图1为其有限元网格划分模型，由于焊接试板几何尺寸和热力边界条件具有对称性，按1/2进行建模。为便于施加固支约束条件，防止发生整体刚性平移，在焊接试板的两端增加了类似于引弧板和熄弧板的模型。焊缝区单元尺寸1mm，其它区域依次递增，最大单元尺寸11mm。
1.1 温度场计算的边界条件
（1）假设焊接电弧为双椭球热源；
（2）仅考虑焊接试板外表面与周围环境的对流换热；
（3）焊缝中心面为绝热边界条件。
1.2 应力场的边界条件
（1）焊缝中心面施加对称边界条件；
（2）为防止焊接试板发生整体刚性位移，约束引弧板外端面所有节点方向的位移。
1.3 模型
焊接参数：功率为800W，焊接速度为6.5 mm/s。
双椭球热源模型的表达式如下：
其中，值取1，2，分别表示为前、后半个椭球对应的参数； ，分别为椭球的三个半轴长度；Q为理论热输入量；分别为随热源中心移动坐标系下的坐标。
文中模拟了在500℃，600℃和700℃温度下高温焊接时的温度场和应力场。
2 温度场模拟结果
为了简化焊接前的加热过程，此模型假设整个焊接试板在焊前500s内完成加热，即在前500s内对所有单元节点施加固定温度载荷，温度载荷由20 ℃线性增大到预定温度。焊接开始后，删除温度载荷，此时试件上各点处于预定温度。随后焊接试件在环境温度下冷却。
图2为不同温度下高温焊接试板焊缝中心线中点温度时程曲线。普通焊接视为温度为20 ℃的常温焊接过程。焊缝中心线上点的温度由于焊枪未到之时焊缝尚未填充，其温度视为20 ℃。从图2可以看到，高温焊接时温度越高，采用同样的热输入焊接时，峰值温度也越高，而且冷却速度也越慢。常温焊接的冷却速度则要快得多。
3 应力场模拟结果
图3、图4分别为不同温度下高温焊接试板焊缝中心线中点纵向应力和横向应力的时程曲线。从图中可以看到，常温焊接时焊缝区的纵向残余应力接近450 MPa，横向残余应力接近80 MPa，而高温焊接时残余应力均有所降低，温度越高，降低的幅度越大，700 ℃焊接时纵向残余应力约为80 MPa，横向应力约为30 MPa，几乎可以忽略不计。各温度下高温焊接焊缝中心点上纵向残余应力相对于常温焊接的降低幅度分别为：57.3%，73.1%和81.3%，横向残余应力的降
图5、图6为不同温度下高温焊接试板焊缝中心横截面纵向残余应力和横向残余应力分布曲线。高温焊接时残余应力的分布更为平坦，温度越高，应力分布越呈扁平化趋势。
4 结论
（1）高温焊接能有效地降低焊接残余应力，纵向残余应力的降低幅度高于横向残余应力的降低幅度。温度越高，降低的幅度越大。
（2）高温焊接使得应力场的分布趋于均匀化，温度越高，应力分布也越均匀。
参考文献
[1] 陈怀宁，陈亮山，林泉洪.逆焊接温差压应力层防护处理解决应力腐蚀开裂新技术[J].石油化工设备技术，1999，20（5）：49-51.
[2] 徐东，宋天民，张国福，等.逆焊接处理对金属材料抗疲劳性能的测试[J].辽宁石油化工大学学报， 2007，27（3）：38-40.
[3] 刘国伟，尚世显，黄文龙.焊接后热与焊后热处理温度对焊接残余应力松弛的试验研究[J].压力容器，1994，11（5）：23-27.
[4] 张德芬，宋天民.机械振动焊接对焊接残余应力的影响及机理分析[J].抚顺石油学院学报，2001，21（3）：53-56.
[5] 吕凯，赵亮.高温焊接对15CrMoR焊接构件抗应力腐蚀性能的影响[J].经济技术协作信息，2011（8）：118.
[6] 杨军，宋天民，管建军.高温焊接对16MnR钢疲劳寿命的影响[J].辽宁石油化工大学学报.2011，31（1）：25-27.
[7] 张智超，张国福，杨军.高温焊接对2.25Cr1Mo钢焊接残余应力的影响[J].热加工工艺，2010，39（21）：126-127.
收稿日期：2015-03-20
尹成江简介： 1967年出生，硕士，副教授，博士研究生；
主要研究方向为石化设备时效分析；[email protected] 。