CN108491652A - 一种基于abaqus的焊接残余应力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法。首先根据试件的几何形状、建立焊接试件的3D几何模型；然后对模型进行全局网格划分；加载材料数据和热边界条件，模拟焊接过程；最终求解温度场和应力场。本发明方法的数值模拟结果具有较高的准确性，可以作为焊接工艺设计和参数优化的一个有效工具。

Description

一种基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法

技术领域

本发明属于应力测试领域，具体涉及一种基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法。

背景技术

焊接是一种典型的热加工方法，在焊接过程中，焊接残余应力是指焊接结构焊缝区及其附近，由于焊接过程的不均匀加热和冷却，以及结构的拘束作用，在结构内部引起相变或局部塑性变形，在焊接过程结束和完全冷却后，残存于结构中的应力。它是一种内应力，属于二次应力的范畴。

残余应力广泛地存在于工程结构中，它是指结构在没有外力作用下，存在于其内部并保持自相平衡的应力，又称为固有应力，内应力，锁定应力等。当内部结构经过机械加工、热加工或热处理时都会产生残余应力。焊接作为一种典型的加工方法，构件在经历了焊接热循环以后，在其内部将产生焊接残余应力，而且残余应力的数值往往能达到材料的屈服极限。当构件投入使用时，工作应力和构件内部的残余应力相叠加，将会恶化材料的使用性能。

通常来讲，许多因素都会影响残余应力的大小，如焊接材料性能、接头形式、焊接热源、焊接工艺和焊接方法等，在这种情况下，要想进一步了解焊接变形和残余应力的变化规律，必须综合考虑各因素的影响，但由于焊接时涉及的影响因素较多，如果仅仅只是通过焊接实验来获取相应的数据，得出规律，再经过实践验证，这样既会花费大量的成本，还会消耗大量的时间和精力，性价比极低，随着计算机技术日新月异的发展，有限元仿真技术在工程领域内的应用也变得越来越广泛。基于有限元仿真能够十分便捷的实现对某些问题的模拟，得到有用的结论，从而提供重要的参考和依据，再筛选焊接参数。而在确定最佳工艺的过程中，往往涉及到大量的重复工作，在这种情况下，可以充分发挥计算机的作用，减少实验工作量，节约成本、时间和精力，且还具有较高的经济效益。

在过去，人们往往通过实物实验或累计的经验来确定实际工程中的焊接参数和焊接工艺，不仅费时费力，而且焊接效果也不好，近年来，随着科技的不断发展，有限元方法逐渐成熟，在焊接领域的应用也变得越来越广泛，基于数值模拟对各类焊接的过程进行仿真计算，大大提高了分析效率，利用计算机来完成大量的分析工作，代替过去在车间和实验室中进行大量的实验，既可以节约时间，还能够降低成本。如果能够基于数值模拟方法实现对焊接问题的准确模拟，辅之以部分焊接实验进行佐证，便可以大大地提升焊接工作的效率。基于对前人的研究，本发明提出一种基于有限元软件ABAQUS的焊接残余应力测量方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法。本发明的技术方案如下。

一种基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法包括如下步骤：

1)根据焊接试件的几何形状、焊缝的熔宽和熔高，建立焊接试件的3D几何模型；

2)采用全局撒点的方式对整个3D几何模型进行网格划分，再将模型内外表面的节点以焊缝为中心由密到疏设置，最后将模型中焊缝区域各边上的节点重新设置，提高到原有节点数的若干倍，保证模型焊缝处网格密度的细致；

3)根据焊接母材的热物理性能参数建立焊接母材数据库，根据焊丝的热物理性能参数建立焊丝材料数据库，将数据库中的材料属性赋予3D几何模型中相应的部分；

4)载入热边界条件，载入模拟热源；

5)在焊接开始前将所有的焊缝单元隐藏，使其不参与焊接仿真温度场与应力场的计算，对焊件开始焊接时，使得焊缝单元逐一被激活，模拟焊缝金属的填充；

将焊缝单元内部热量的逐一生成模拟焊接热源移动，在焊接初始阶段，只有当前第一焊缝单元及其周围区域参与热传导和热对流，其他焊缝单元对温度场没有影响，并且处于隐藏的状态；在焊接热源移动到第二焊缝单元时，第二焊缝单元显现出来，同时第一焊缝单元处的热量不再增加，第二焊缝单元处的热量开始增加，此时前面的第一焊缝单元只参与热量传导作用，和焊件其他位置的普通单元一样，都能够继续进行热量的对流和传导，处于隐藏状态的焊缝单元仍然不参与热传导和热对流；上一焊缝单元激活完毕后，焊接热源继续移动到下一焊缝单元，此过程循环进行，直至焊接热源遍历所有的焊缝单元；

5)求解温度场，模拟冷却至室温的过程，偶合法求解应力场。

优选的，所述的步骤2)具体为，先对整个模型采用全局撒点的方式，近似全局大小为2mm，再将模型内外表面的节点以焊缝为中心由密到疏设置，偏置比为5，最后将模型中焊缝区域各边上的节点重新设置，提高到原有节点数的两倍，保证模型焊缝处网格密度的细致。

优选的，所述的步骤3)中的热物理性能参数为各温度下材料的泊松比、比热容、剪切模量、弹性模量、热膨胀系数和热导率。

优选的，所述的步骤5)前还包括在3D几何模型的两侧施加X方向、Y方向、Z方向上的刚性约束的步骤，所述的步骤6)焊接完成后冷却至设定温度时，还包括解除上述刚性约束的步骤。

优选的，所述的模拟热源为双椭球热源模型。

优选的，所述的热边界条件选用如下三类边界条件：

(1)边界温度已知：

(2)边界热流密度分布已知：

(3)边界热交换情况已知：

q_s(x,y,z,t)表示的是单位面积上外部传入的热源值，β(T_a-T_s)表示物体外表面的热交换系数，T_a表示的是周围存在的介质的温度，T_s表示的是已知的临界点的温度，n_x，n_y，n_z表示的是边界以外的法线的方向余弦。

附图说明

图1为数值模拟3D几何模型；

图2为全局网格划分图；

图3为ABAQUS焊接模拟流程图；

图4为内表面轴向应力分布图；

图5为内表面环向应力分布图；

图6为外表面轴向应力分布图；

图7为外表面环向应力分布图；

图8为内表面Von Mises等效应力分布图；

图9为外表面Von Mises等效应力分布图；

图10为残余应力测试点布置图；

图11为环向应力实测值与模拟计算值比较图；

图12为轴向应力实测值与模拟计算值比较图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

以T91钢管为研究对象，根据被焊工件大小、尺寸和焊接工艺参数，建立焊件的3D有限元模型，数值模拟3D几何模型如图1所示。

网格划分：对焊缝及其周围区域的网格划分相对细致，可以更加具体地描述焊件的应力场和温度场。焊件其他部分的网格间距会比较大，这样既方便测量，又能减少计算量。全局网格划分图如图2所示。

材料数据库的建立：在焊接金属时，焊缝金属的物理状态经历了从弹性体→弹塑性体→塑性体→弹性体的变化，所以，金属本身的物理属性差异会给模拟结果带来很大的偏差。因此，要想精准地建立模型，首先要测算出这些数据。本方法中焊接母材所用材料为T91，填充金属为ER90S-B9焊丝，利用美国利曼Prodigy XP ICP光谱仪，对焊接材料以及母材金属进行了化学成分质量分数的测定，结果如表1、表2所示。

表1焊丝ER90S-B9的化学成分

表2 T91的化学成分

载入热边界条件，载入模拟热源；在进行载荷(即热边界条件)的施加前，可预先定义好一些基本参数的值，定义室温为20℃，管道内外的对流换热系数为20W/(m²·K)，辐射换热系数为0.85。定义绝对零度为-273.15℃，波尔兹曼常数为5.67E-08。

约束条件的加载：ABAQUS中可以对模型进行弹性和刚性两种形变约束。其中弹性约束用来模拟外力作用的，而刚性约束可以阻碍焊接构件位置的变动。因此，在有刚性约束的条件下，可以忽略约束部位的移动量。然而，如果在模拟刚性约束时的数据不准确，就会使整个仿真模型产生较大误差，大大影响模拟结果的准确性。此外，在定义约束范围的时候，不能距离焊缝区域太近，这不仅会增加计算难度，还会造成一定的误差。因此，本方法根据实际焊接过程的装卡情况，对模型的两侧施加X，Y，Z方向上的刚性约束。在焊接完成后冷却700s时，解除约束作用，由自由约束替代刚性约束。

如图3的流程所示，将焊缝单元内部热量的逐一生成作为模拟焊接热源移动的依据。焊接开始时，1#焊缝单元的热量是在不断变化的，而其他的焊缝单元可以近乎看作没有热量变化，换句话说，在焊接初始阶段，只有1#焊缝单元及其周围的部分可以与温度场进行热传导和热对流，其他焊件部位对温度场没有影响，并且处于隐藏的状态。在焊接热源移动到2#焊缝单元时，2#焊缝单元显现出来，同时1#焊缝单元处的热量不再增加，2#焊缝单元处的热量开始增加，此时前面的1#单元只参与热量传导作用，和其他位置的普通单元一样，都能够继续进行热量的对流和传导，除此之外仍然处于隐藏状态的焊件单元仍然不起任何作用。这个过程会逐渐循环，也就是说，在加热一定时间后，焊件的所有部位都会参与热量交换和传导。

通过模拟运动过程，分时间段进行处理，然后将时间间隔设定到适合的值，将数据传递给计算机处理，通过算法对划分单元的“死”和“活”进行选择，然后利用循环语句就可以实现模拟热源的加载过程。

热源模型的确定：本方法中，对T91钢管是采用手工钨极氩弧焊的方法，考虑到在实际的焊接过程中，由于电弧的加热区域热度分布前后不均匀，从而使得电弧的前后方向的加热区产生的热度也不一样，因此，根据实际情况和手工钨极氩弧焊的电弧特征，选择使用双椭球模型进行模拟仿真。

焊接应力场分析

根据作用时间的不同，焊接应力又可以具体分为两种类型，一种是焊接过程中瞬时应力，另外一种是焊接完成后一定时间内存在的残余应力。焊接进行时，在某一不确定的时间点产生的应力就是所谓的瞬时应力，瞬时应力随时会发生改变。焊接完成以后，焊接体的内部还会遗留一部分的应力，这部分应力就是所谓的残余应力。

因为焊接的时候只是焊接体的一部分受到加热的作用，温度急速上升然后在短时间内又急剧下降，受此影响，焊接体的内部会出现一些复杂的无规律可言的应力场。在焊件服役的时候，不仅承载了工作负荷还会受到存在其内部的残余应力的影响，二者叠加使得焊接构件内部的应力场发生再次变化，这样不仅会影响焊接体结构的稳定性，如果温度发生了较大的变化还会使得焊接体刚度下降，抗压能力受到很大的影响，甚至当氧化等化学变化产生时，还会使得焊接处发生腐蚀等有害现象。

根据温度场的变化，对应的应力场数值可以通过耦合计算出来，分析计算的时候，除了考虑温度场的变化外，焊接内部结构组织的转变也会对应力有着不可忽视的影响。

焊接的时候，焊件本身的组织相变、应力变化以及温度的变化都是复杂而微妙的，变化不是线性变化，因此，建立合适的模型，选用合适的材料对于模拟实验的准确性及其重要。对于热－弹塑性分析模型，是建立在以下三条假设的前提下：

(1)塑性屈服遵从流变、强化的规律，表现出应变硬化的特点；

(2)弹性、塑性的应变变化和温度变化是密切相关的；

(3)焊接材料的性能与温度的变化关系可以表示为函数的关系，在一个足够小的时间段内呈现线性变化。

在弹性区，以下公式可以表示全应变的变化：

{dε}＝{dε}_e+{dε}_T (9)

公式(9)中，{dε}_e表示的是满足相容条件时候的弹性应变增量；{dε}_T是热应变的增量。

某一应力的状态为{σ}时，由于弹性矩阵[D]_e与温度的变化密切相关，所以：

公式(9)中{dε}_T是{α₀T}(α₀是在初始温度时的线性膨胀系数)的增量微分，即：

由于线性膨胀系数α是有关温度的一个函数，所以其有效值为：

将公式(10)、(11)代入公式(9)中可以看到：

公式(13)中，[D]＝[D]_e，{C}是和温度有关的向量。公式(13)是在弹性区内的应力应变增量关系式。

以下开始分析塑性区内的应力应变增量关系式。在塑性区，材料的屈服条件为：

f(σ)＝f₀(ξ_p,T) (14)

公式中，f表示的是屈服函数。f₀表示的是有受温度和塑性应变影响的屈服应力函数。

按照相关的塑性的规律，全应变的分量包含了以下几种：

{dε}＝{dε}_p+{dε}_e+{dε}_T (15)

公式(15)中，{dε}_p为塑性应变增量，依据流动法则有：

进而可以推导出在塑性区的应力应变关系则有如下形式：

{dσ}＝[D]_ep{dε}-{C}_epdT (17)

公式(17)中：

对于公式(16)中的ξ，若ξ>0为加载过程；ξ＝0为中性过程；ξ<0为卸载过程。卸载时材料呈弹性行为，其应力应变关系为(13)式。

在考虑结构中某一单元的应力时，根据以下平衡方程：

{dF}^e+{dR}^e＝[K]^e{dδ} (20)

公式(20)里，{dF}^e表示的是单位节点上力的增加量；

{dR}^e表示温度变化引起的单元初始应变等效节点力的增加量；

[K]^e表示单元刚度矩阵；

{dδ}表示节点的位移增量。

这里初始应变等效节点力为：

{dF}^e＝∫∫_Δv[B]^T[C]dTdV (21)

单元刚度矩阵：

[K]^e＝∫∫_Δv[B]^T[D][B]dV (22)

根据单元是处在弹性还是塑性状态，分别用公式(13)、(17)中的{C}和[D]代入(21)、(22)中，由点到面，通过研究单元的刚度矩阵，然后推广到总的广度荷载矩阵当中去，这样推导出了以下方程：

[K]{dδ}＝{dF} (23)

其中[K]＝∑[K]^e，{dF}＝∑({dF}^e+{dR}^e)，考虑到与焊接有关的问题，∑{dF}^e常常为零，所以：

{dF}＝∑{dR}^e (24)

实验结果与分析

提取出每一层焊接后管道内外表面的应力场，通过提取出的应力数据模拟信息，分析焊件沿环向、沿轴向和Von Mises等效应力的应力分布状态。

A.内表面各方向应力分布

焊接初始位置处内表面不同时刻的轴向应力分布如图4所示，环向应力分布如图5所示。第一层和第二层焊接完成的时间分别为87s、286s，第一层和第二层冷却至层间温度的时间分别为187s、380s，在986s时，焊件的温度下降到55 摄氏度。通过图4、5，可以大体看出：当焊接层数增加时，焊件各个方向的残余应力也会随之改变。只有焊缝周围的45mm之内的应力较为明显，45mm范围外的焊件的应力近乎为零，因此，在分析应力场分布的时候，只将距焊缝中心 45mm范围内的应力分布曲线作为研究对象。

B.外表面各方向应力分布

焊接初始位置处外表面不同时刻的轴向应力分布如图6所示，环向应力分布如图7所示。从图6可知，焊接第二层之前，焊缝区域的轴向应力值为零。当第二层焊接完成后，与焊缝中心的距离不同，轴向应力也会有明显的差异。当完成第一层焊接时，距焊缝中心12mm范围内的残余应力就是拉应力，此时拉应力的峰值为75MPa。最大压应力出现在焊后焊件冷却至55摄氏度时，此时的压应力峰值为270MPa，距离焊缝中心5mm。最大拉应力出现在第一层焊后焊件冷却至层间温度时，在距焊缝中心15mm处会出现拉应力峰值，约为150MPa，与焊缝中心相距45mm以上的区域，应力基本为零。

根据图7可知，在第二层焊接之前，焊缝周围没有任何环向应力，坡口边缘的环向压应力值为100MPa，此时没有拉应力。焊后焊件冷却至55摄氏度时，近焊缝区出现拉应力，较第二层焊接完成时的拉应力水平相比有所提高。距焊缝中心5mm处的拉应力峰值为150MPa，然后，拉应力会随着距离的增加而逐渐减小。在焊缝中心11mm-14mm处，由于焊接接头金属的收缩作用，使环向压应力作用在这个区域上，随着距离的增加，压应力不断减小，渐渐转为拉应力，最后应力趋于0MPa。

C.各层焊后的Von Mises等效应力分布

焊接初始位置处不同时刻内表面Von Mises等效应力分布如图8所示，外表面VonMises等效应力分布如图9所示。从图8中的曲线可以看出，每一层焊接后的等效应力都是拉应力，当第一层焊接完成，焊件冷却时，金属不断收缩，同时受到周围金属的约束，因此会产生比较大的拉应力，这也是为什么拉应力的最大值会产生在焊接接头周围的原因。经过第二道焊接之后，在固态相变的作用下，应力只有微小的增加，热源区周围的母材区的拉应力最大值上升到420MPa，达到峰值的面积也随之扩大。随后焊接不断冷却，各位置处拉应力也不断减小。

从图9中可以明显看出，外表面上几个时间步的应力曲线基本相似，以焊后焊件冷却至55摄氏度时应力分布曲线为例，等效应力的最大值为375MPa，出现在距焊缝中心线7.5mm处。在马氏体相变的作用下，焊缝及热影响区的等效应力变化相对缓慢，其值分布在160MPa左右。

D.盲孔法测量残余应力

采用TDS-602静态应变仪来测量实焊焊件的残余应力，测试方法为盲孔法。由于管径偏小，内部无法打孔，因此测试点仅选取外表面距焊缝中心线0mm、 3mm、6mm、9mm、12mm、15mm、18mm7个位置，测试点布置如图10所示，分七次单独测试。

测试之前，首先要将所测部位使用砂轮进行打磨，从而方便粘贴检测用的应变花，之后依次使用粗、细砂纸把表层打磨平整，使用细针标记测试点的位置。把打磨处理之后的试件使用丙酮溶液清洗干净，用502胶水把专用型应变花贴在待测试件需要检测的部位，打孔位置需对准标记好的测试点，待胶水阴干结合牢固后，把应变花上的引出线和应变仪中引出的导线使用电烙铁进行焊接，并且接上温度补偿片，将应变仪调整归零。需要注意的是，考虑到钢管为导体，需要做一定的绝缘处理，试件表面以及应变花的引出线需用绝缘胶布包起来，并用万用表检查应变花和试件是否绝缘。用ZDL-Ⅱ型盲孔法钻孔装置在应变花打孔位置处打一个直径2mm、深约2.5mm的盲孔，打完孔15分钟后，用应变仪测量打孔后释放的应变量，并计算残余应力大小和应力方向。

实验测量结果如表3所示：

表3 T91钢管接头环焊缝焊接残余应力实测数据

E、数值计算结果与实验测量结果的比较分析

环向应力实测值与模拟计算值比较图和轴向应力实测值与模拟计算值比较图分别如图11、图12所示，对比可知，针对应力分布规律的分析研究，实验测量的轴向、环向残余应力的结果，与数值模拟运算获得的结果相比，它们的分布规律基本上保持一致，实验测量值略低于模拟计算值，数值偏差不是很大，这进一步证明了数值模拟结果的准确性，同时也说明了采用数值模拟的方法可以作为焊接工艺设计和参数优化的一个有效工具。

Claims (6)

1.一种基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1)根据焊接试件的几何形状、焊缝的熔宽和熔高，建立焊接试件的3D几何模型；

2)采用全局撒点的方式对整个3D几何模型进行网格划分，再将模型内外表面的节点以焊缝为中心由密到疏设置，最后将模型中焊缝区域各边上的节点重新设置，提高到原有节点数的若干倍，保证模型焊缝处网格密度的细致；

3)根据焊接母材的热物理性能参数建立焊接母材数据库，根据焊丝的热物理性能参数建立焊丝材料数据库，将数据库中的材料属性赋予3D几何模型中相应的部分；

4)载入热边界条件，载入模拟热源；

5)在焊接开始前将所有的焊缝单元隐藏，使其不参与焊接仿真温度场与应力场的计算，对焊件开始焊接时，使得焊缝单元逐一被激活，模拟焊缝金属的填充；

将焊缝单元内部热量的逐一生成模拟焊接热源移动，在焊接初始阶段，只有当前第一焊缝单元及其周围区域参与热传导和热对流，其他焊缝单元对温度场没有影响，并且处于隐藏的状态；在焊接热源移动到第二焊缝单元时，第二焊缝单元显现出来，同时第一焊缝单元处的热量不再增加，第二焊缝单元处的热量开始增加，此时前面的第一焊缝单元只参与热量传导作用，和焊件其他位置的普通单元一样，都能够继续进行热量的对流和传导，处于隐藏状态的焊缝单元仍然不参与热传导和热对流；上一焊缝单元激活完毕后，焊接热源继续移动到下一焊缝单元，此过程循环进行，直至焊接热源遍历所有的焊缝单元；

5)求解温度场，模拟冷却至室温的过程，偶合法求解应力场。

2.根据权利要求1所述的基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法，其特征在于所述的步骤2)具体为，先对整个模型采用全局撒点的方式，近似全局大小为2mm，再将模型内外表面的节点以焊缝为中心由密到疏设置，偏置比为5，最后将模型中焊缝区域各边上的节点重新设置，提高到原有节点数的两倍，保证模型焊缝处网格密度的细致。

3.根据权利要求1所述的基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法，其特征在于所述的步骤3)中的热物理性能参数为各温度下材料的泊松比、比热容、剪切模量、弹性模量、热膨胀系数和热导率。

4.根据权利要求1所述的基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法，其特征在于所述的步骤5)前还包括在3D几何模型的两侧施加X方向、Y方向、Z方向上的刚性约束的步骤，所述的步骤6)焊接完成后冷却至设定温度时，还包括解除上述刚性约束的步骤。

5.根据权利要求1所述的基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法，其特征在于所述的模拟热源为双椭球热源模型。

6.根据权利要求1所述的基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法，其特征在于所述的热边界条件选用如下三类边界条件：

(1)边界温度已知：

(2)边界热流密度分布已知：

(3)边界热交换情况已知：

q_s(x,y,z,t)表示的是单位面积上外部传入的热源值，β(T_a-T_s)表示物体外表面的热交换系数，T_a表示的是周围存在的介质的温度，T_s表示的是已知的临界点的温度，n_x，n_y，n_z表示的是边界以外的法线的方向余弦。