X80钢曲面对接焊缝残余应力尺寸效应_白林越.pdf

第2卷 第2期V o l.2 N o.2 2 0 2 3年4月 J o u r n a l o f A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A A p r.2 0 2 3X 8 0钢曲面对接焊缝残余应力尺寸效应白林越1,高 磊1,邵 飞1,谢兴坤1,刘 义2,张 龙3(1.陆军工程大学 野战工程学院,江苏 南京 2 1 0 0 0 7;2.陆军工程大学 训练基地,江苏 徐州 2 2 0 0 1 4;3.3 1 6 5 0部队,云南 曲靖 6 5 5 0 0 0)摘要:以试验测得的X 8 0钢高温性能参数为基础建立了曲面对焊结构仿真模型,并进行了试验验证,研究了曲面外径、曲面壁厚和焊缝宽度等尺寸效应对曲面对接焊缝残余应力分布的影响规律。结果表明:曲面外径、曲面壁厚和焊缝宽度的变化均会对曲面对接焊缝残余应力的分布规律产生影响;随着曲面径向截面面积的增大,焊趾处径向残余拉应力逐渐增大,残余压应力峰值逐渐减小;曲面径向截面面积和焊缝宽度的增加,均会引起焊趾处残余拉应力峰值的增大并导致曲面对焊结构中焊接残余应力水平的升高,降低结构整体的耐腐蚀性能和疲劳性能;在选用曲面壁厚小于4 mm的曲面结构进行工程设计时,焊接残余应力分布对壁厚的变化十分敏感,极易导致结构内部残余拉应力的增大并产生应力集中区域。关键词:曲面对焊结构;焊接残余应力;曲面外径;曲面壁厚;焊缝宽度 中图分类号:T G 4 5 7D O I:1 0.1 2 0 1 8/j.i s s n.2 0 9 7-0 7 3 0.2 0 2 2 0 5 2 6 0 0 1D i m e n s i o n a l E f f e c t s o n W e l d i n g R e s i d u a l S t r e s s o f C u r v e d B u t t W e l d o f X 8 0 S t e e l B A I L i n y u e1,GAO L e i1,S HAO F e i1,X I E X i n g k u n1,L I U Y i2,Z HANG L o n g3(1.C o l l e g e o f F i e l d E n g i n e e r i n g,A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A,N a n j i n g 2 1 0 0 0 7,C h i n a;2.T r a i n i n g B a s e,A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A,X u z h o u 2 2 0 0 1 4,C h i n a;3.U n i t 3 1 6 5 0 o f P L A,Q u j i n g 6 5 5 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e d o n t h e h i g h t e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o f X 8 0 s t e e l m e a s u r e d i n t h e e x p e r i-m e n t,a s i m u l a t i o n m o d e l o f t h e c u r v e d b u t t-w e l d e d s t r u c t u r e w a s e s t a b l i s h e d a n d v e r i f i e d b y t h e t e s t.T h e e f f e c t s o f c u r v e d o u t e r d i a m e t e r,c u r v e d w a l l t h i c k n e s s,a n d w e l d w i d t h o n t h e r e s i d u a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f t h e c u r v e d b u t t-w e l d e d j o i n t w e r e s t u d i e d.T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e v a r i a t i o n o f c u r v e d o u t e r d i-a m e t e r,c u r v e d w a l l t h i c k n e s s a n d w e l d w i d t h w i l l a f f e c t t h e r e s i d u a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f c u r v e d b u t t-w e l d e d j o i n t.W i t h t h e i n c r e a s e o f t h e c u r v e d r a d i a l s e c t i o n a r e a,t h e r a d i a l r e s i d u a l t e n s i l e s t r e s s i n t h e w e l d t o e r i s e s g r a d u a l l y,a n d t h e p e a k v a l u e o f r e s i d u a l c o m p r e s s i v e s t r e s s d e c r e a s e s g r a d u a l l y.T h e a u g-m e n t o f t h e c u r v e d r a d i a l s e c t i o n a r e a a n d t h e w e l d w i d t h w i l l i n c r e a s e t h e p e a k v a l u e o f r e s i d u a l t e n s i l e s t r e s s i n t h e w e l d t o e a n d t h e w e l d i n g r e s i d u a l s t r e s s l e v e l o f t h e c u r v e d b u t t-w e l d e d s t r u c t u r e,a n d r e d u c e t h e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e a n d f a t i g u e p e r f o r m a n c e o f t h e w h o l e s t r u c t u r e.T h e w e l d i n g r e s i d u a l s t r e s s d i s t r i-b u t i o n i s v e r y s e n s i t i v e t o t h e c h a n g e o f w a l l t h i c k n e s s w h e n t h e c u r v e d s u r f a c e s t r u c t u r e w i t h t h e c u r v e d w a l l t h i c k n e s s l e s s t h a n 4 mm i s u s e d,w h i c h c a n e a s i l y i n c r e a s e t h e r e s i d u a l t e n s i l e s t r e s s a n d l e a d t o t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n a r e a i n t h e s t r u c t u r e.收稿日期:2 0 2 2-0 5-2 6基金项目:军内科研项目(L J 2 0 2 1 2 C 0 2 1 1 9 8,KY G Y J Q Z L 2 2 0 4)。第一作者:白林越,博士,讲师,主要研究桥梁与隧道工程,b a i l y 0 1 6s i n a.c n。通信作者:高 磊,博士,副教授,硕士生导师,主要研究桥梁与隧道工程,g l e i a 2 0 2 1s i n a.c o m。K e y w o r d s:c u r v e d b u t t-w e l d e d s t r u c t u r e;w e l d i n g r e s i d u a l s t r e s s;c u r v e d o u t e r d i a m e t e r;c u r v e d w a l l t h i c k n e s s;w e l d w i d t h 长距离油气输送管道以其安全、经济、高效等优点得到世界各国的重视,其长期输送的可靠性成为科研人员关注的焦点,管道工程相关技术的研发与应用也因此得到了飞速发展1-2。为了满足国家油气资源高效输送的需要,大管径、耐高压的管道结构在更多工程中得到应用,该类型结构对管材强度的要求也越来越高3-4。目前,虽然X 1 0 0级管线钢已在国际大型油气输送工程中得到试用,但X 8 0级管线钢仍作为最常用的高等级管线钢应用于内陆和海洋环境下的油气管道工程建设,已有多个国家拥有了成熟的X 8 0钢生产技术和管线加工技术,并得到了大量应用5-6。然而,管线钢等级越高,材料屈服强度越大,焊接产生的残余应力水平越高。X 8 0钢在焊接过程中会产生高水平的焊接残余应力,在内部油气输送介质、外部酸性土壤和海洋卤素环境引起的循环冲击和电化学作用下,直接影响了油气输送管道的耐腐蚀性能和疲劳性能,是导致长距离油气输送管道事故的重要因素7-8。如何减小焊接残余应力对管道结构的影响成为业内人士普遍重视的问题9-1 0。虽然关于焊接结构残余应力的研究已持续多年,但现有研究更多集中在平面焊接接头残余应力的分布规律和对结构性能的影响上1 1-1 3。针对曲面等非平面焊接结构残余应力的研究较少,不足以对高强度管道结构的设计提供指导,仍需对曲面焊接结构的焊接残余应力水平控制方法展开进一步研究。利用试验研究和仿真分析的手段,对X 8 0钢管道结构的曲面对焊过程进行研究,得到了尺寸参数变化对曲面对焊结构残余应力分布的影响规律,为从设计的角度降低管道等曲面结构的残余应力水平、提高管道结构的安全性和使用寿命提供参考。1 仿真分析1.1 有限元模型以X 8 0高强钢为研究对象,其化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。表1 X 8 0钢化学成分CS iM nPSV+N b+T i0.2 20.4 01.8 50.0 3 00.0 3 00.1 5 通过试验测得X 8 0钢焊接过程仿真分析所需的高温力学、热物理性能参数,检测项目及试验仪器(型号)如表3所示,测得的试验参数如表4所示。表2 X 8 0钢力学性能屈服强度/MP am i nm a x抗拉强度/MP am i nm a x屈强比m i nm a x5 5 57 0 56 2 58 2 50.9 3表3 检测仪器及型号项目仪器(型号)导热系数散热系数激光导热仪(池耐L F A 4 5 7)比热容差式扫描量热仪(D S C 4 0 4 F 3)线膨胀系数热膨胀仪(池耐D I L 4 0 2 P C)屈服强度弹性模量动态热力学模拟试验机(G l e e b l e 1 5 0 0)密度高精度天平表4 X 8 0钢力学及热物性参数检测结果温度/2 02 5 05 0 07 5 01 0 0 0 1 2 5 0导热系数/(Wm-1-1)4 8.6 5 3 64 5.2 1 03 6.9 9 42 7.0 6 7 3 0.0 1 0散热系数/(Wm-2-1)1 0 03 5 05 2 01 0 0 01 5 0 0 2 0 9 0比热容/(J k g-1-1)1 5 35 2 65 6 11 1 9 03 6 01 7 8密度/(k gc m-3)7 8 5 07 8 5 07 8 5 07 8 5 07 8 5 0 7 8 5 0线膨胀系数/1 0-6K1 3.1 1 2 5 1 4.3 8 7 9 1 5.1 3 5 3 1 7.0 1 5 7弹性模量/G P a2 2 51 8 7.51 9 51 7 19 93 0切变模量/G P a1 1.2 59.3 7 59.7 58.5 54.9 51.5 0屈服应力/MP a5 7 06 5 04 0 01 1 09 61 5 为简化计算,选取对焊曲面的1/4部分进行建模分析。焊缝宽度1 2 mm,过渡区域宽1 5 mm。建模时焊缝及母材区域采用S O L I D 7 0单元,过渡区域采用S O L I D 9 0单元,以提高计算精度。并在焊缝外表面定义表面效应单元S UR F 1 5 2,用以施加热流密度。建立的有限元模型如图1所示。图1 对焊曲面有限元模型1.2 热源模型焊接仿真分析中选用的热源模型根据焊接工艺确定。本文中的对焊管道采用实际工程中常用的 11第2期 白林越,等:X 8 0钢曲面对接焊缝残余应力尺寸效应S T T 根焊+手工焊填充、盖面技术施焊,具体工艺参数如表5所示。鉴于该焊接工艺为熔化焊,可采用高斯热源模型进行仿真模拟。表5 对焊管道焊接工艺参数焊道焊材牌号直径/mm电流/A电压/V送丝速度/(c mm i n-1)焊接速度/(c mm i n-1)根焊J M-5 81.23 8 04 0 51 82 02 0 02 2 52 02 2填充E 8 1 T 1-N I 22.01 7 52 0 01 92 02 0 62 1 41 82 2盖面E 8 1 T 1-N I 22.02 0 02 3 01 92 02 0 62 1 41 82 2 在对焊接过程进行模拟时,焊接热源以热流密度的形式施加在焊缝表面,其计算公式为qr()=3QR2e-3r2R2(1)式中:Q为输入热量(Q=U I),为效率(=0.7),U为焊接电压,I为焊接电流,R为电弧有效传热半径。施加热流密度后的曲面施焊过程仿真结果见图2。图2 对焊曲面施焊过程2 试验与分析2.1 试验准备试验选用X 8 0无缝管作为对焊加工对象,试件规格如表6所示。测点布置如图3所示。试验时分别在点1位置和点2位置布置两排测点,测点间距依次为5、1 0、1 0和3 5 mm,并在点1位置的焊缝中心设置测点,以测量焊缝处的残余应力值。表6 对焊试件规格项目型号外径/mm厚度/mm长度/mm规格X 8 02 9 91 66 0 0图3 残余应力测点布置2.2 试验方法及结果测量前利用高浓度盐酸和无水乙醇对测量区域表面进行除锈处理,通过X射线检测法对管道曲面焊接区域的残余应力进行测量,试验仪器选用P r o-t o残余应力检测试验机,检测过程如图4所示。图4 X射线残余应力测量过程试验中共制作两个对焊管件用于对比(试件A、试件B)。试件点1位置距焊缝距离由近到远各点编号设为1 01 4(1 0为焊缝中心测点编号),点2位 置 距 焊 缝 距 离 由 近 到 远 各 点 编 号 设 为2 12 4。对焊管件残余应力测量结果分别如表7、表8所示。表7 试件A测点检测结果测点编号1 01 11 21 31 4x/MP a-3 4 0.4 2-3 0 0.0 0-2 6 3.4 0-2 0 3.5 7 5 8.7 9 y/MP a-3 3 4.9 7-3 3 2.3 0-2 6 4.3 5-2 3 2.3 1 1 2.8 5测点编号2 12 22 32 5x/MP a-2 3 8.7 2-2 1 1.3 4-1 9 7.5 9 6 1.6 8 y/MP a-2 7 4.1 9-2 5 7.9 6-2 2 1.7 8-8.5 4表8 试件B测点检测结果测点编号1 01 11 21 31 4x/MP a-3 6 8.2 8-2 5 3.6 9-2 2 3.5 1-1 3 9.2 1-2 9 0.3 4y/MP a-4 1 0.3 6-3 5 4.1 9-2 7 2.2 7-1 1 7.1 4-2 5 3.2 0测点编号2 12 22 32 5x/MP a-2 9 5.9 3-2 2 5.4 3-2 2 0.0 2-1 4 9.4 6 y/MP a-3 0 9.6 3-2 2 1.6 2-1 0 2.3 1-2 0.5 7 其中:x为径向残余应力,应力方向与焊缝平行;y为轴向残余应力,应力方向与焊缝垂直。2.3 仿真结果有效性分析由于试样A测点表面较为光滑,残余应力测量结果规律性较好,选用试件A的残余应力测量结果与仿真结果进行对比。考虑到试样A在施焊过程中端部施加了轴向约束,在进行仿真计算时同样对有限元模型的端部施加轴向约束。仿真结果和实测21 第2卷结果对比分别如图5、图6所示。图5 x仿真结果与实测结果对比图6 y仿真结果与实测结果对比对比图5、图6可知:在端部约束的影响下,焊趾处的峰值应力呈现为压应力状态,近焊缝处仿真结果和实测结果之间的误差在2 0%以下;远离焊缝位置由于残余应力水平较低,通过误差率来衡量仿真结果的准确性并不恰当,因此在远离焊缝位置利用 误差 值 验 证 仿 真 结 果 的 有 效 性。从图5、图6可以看出,远离焊缝位置仿真结果与实测结果的差值保持在2 5 MP a以下。综上可知,本文的仿真计算结果有效。3 曲面对接焊缝残余应力尺寸效应3.1 方案设计研究主要考虑曲面外径、曲面壁厚和焊缝宽度的变化对曲面对接焊缝残余应力分布的影响规律,各方案尺寸参数如表9所示。表9 曲面模型尺寸设计方案方案编号12345678曲面外径/mm1 3 0 1 7 0 1 7 0 1 7 0 1 7 0 1 7 0 2 1 0 2 9 0曲面壁厚t/mm747771 077焊缝宽度/mm1 21 21 01 21 41 21 21 2 考虑到各方案管道壁厚均较小,采用单层焊缝填充的方式进行仿真建模分析。在仿真建模时模拟对焊管道的实际情况,不在模型端部施加轴向约束。3.2 曲面外径选用方案1、方案7及方案8中的仿真结果进行研究,曲面外径分别为1 3 0、2 1 0和2 9 0 mm。由于焊接热源的预热效果会对该区域的残余应力分布产生影响1 4,因此在研究中取距起弧位置相同距离处的残余应力仿真结果进行对比分析。在各方案中均取距起弧位置表面距离6 8 mm处(方案1中的焊缝中点位置)的残余应力仿真结果进行分析。径向残余应力对比结果如图7所示。图7 外径变化时x循环曲线对比由图7可知:当曲面外径变化时,径向残余应力分布规律无明显变化;残余拉应力峰值点位于焊趾处,随着曲面外径增大,外径由1 3 0升至2 9 0 mm后,焊 趾 处 的 最 大 残 余 拉 应 力 由3 3 9.0 8升 高 到 了3 8 7.6 3 M P a;方案1与方案7中的最大残余压应力值基本相同,分别为9 9.4 4和1 0 0.9 7 M P a,而方案8中的最大压应力值减小程度较为明显,为8 5.9 2 M P a;曲面的外径越大,径向残余应力的变化梯度越小。轴向残余应力对比结果如图8所示。图8 外径变化时y循环曲线对比由图8可知:随着外径尺寸的增大,轴向残余拉31第2期 白林越,等:X 8 0钢曲面对接焊缝残余应力尺寸效应应力峰值呈现出先减小后增大的趋势,轴向残余应力的变化梯度随着外径的增大而减小。结合图7、图8可以看出,曲面外径的改变对轴向、径向残余应力的拉应力和压应力峰值均会产生影响:随着曲面外径的变化,焊缝及其附近区域的径向残余应力呈同一变化趋势,而轴向残余应力的变化规律并不相同;随着距焊趾距离的增大,轴向、径向应力的变化梯度均随曲面外径的增大而减小。3.3 曲面壁厚选用方案2、方案4及方案6中的仿真结果进行研究,曲面壁厚分别为4、7和1 0 mm。选用方案中的曲面模型外径相同,因此选取各模型焊缝中部区域的残余应力仿真结果进行分析,其径向残余应力对比结果如图9所示。图9 壁厚变化时x循环曲线对比由图9可知:在焊趾处,径向残余拉应力峰值随着曲面壁厚的增大而增大;随着距焊趾距离的增大,焊接残余拉应力迅速转化为残余压应力,焊接残余压应力峰值随着曲面壁厚的增大而减小;曲面壁厚越小,壁厚变化对径向残余应力分布的影响越剧烈,变化梯度越大。轴向残余应力对比结果如图1 0所示。图1 0 壁厚变化时y循环曲线对比由图1 0可知:焊趾处的轴向残余拉应力峰值随曲面壁厚的增加而增大;随着距焊趾距离的增大,方案4、方案6中的轴向残余拉应力逐渐减小,而方案2中的残余拉应力值存在骤升过程,并超过焊趾处拉应力达到应力峰值,达到1 5 9.9 5 MP a,这无疑会威胁焊接结构的安全使用。结合图9、图1 0可以看出:当曲面壁厚增大时,焊趾处的径向、轴向残余拉应力均呈增大趋势,径向、轴向残余压应力峰值位置呈远离焊趾趋势;从焊接残余应力的变化梯度来看,薄壁曲面的残余应力变化梯度更为剧烈,更易产生较高水平的应力集中,影响结构的安全性和使用寿命。3.4 焊缝宽度选用方案3、方案4及方案5中曲面模型的仿真结果 进 行 研 究,模 型 焊 缝 宽 度 分 别 为1 0、1 2和1 4 mm。对比时选取各模型中部区域的残余应力仿真结果进行分析,其径向残余应力对比结果如图1 1所示。图1 1 焊缝宽度变化时x循环曲线对比由图1 1可知:焊趾处的残余拉应力峰值随着焊缝宽度的增加而降低,径向残余压应力峰值随着焊缝宽度的增加而增大;近焊缝区域径向残余应力的变化梯度随着焊缝宽度的增大而增大。轴向残余应力对比结果如图1 2所示。图1 2 焊缝宽度变化时y循环曲线对比由图1 2可知:焊趾处的轴向残余拉应力峰值随着焊缝宽度的增加而增大;各方案中的曲线拐点均41 第2卷出现在距焊趾7 mm处,且拐点处与焊趾位置残余应力差值相近,均约为2 5 1 MP a;在拐点以外区域,轴向残余应力变化梯度随焊缝宽度的增大而增大。结合图1 1、图1 2可以看出:焊缝宽度的变化仅会对近焊缝处的径向残余应力产生较大影响,对远焊缝处径向残余应力的影响较小;焊缝宽度的变化对轴向残余应力分布的影响程度更为显著。4 结论(1)曲面外径、曲面壁厚和焊缝宽度的变化均会对曲面对接焊缝残余应力的分布规律产生影响。(2)随着曲面径向截面面积的增大,焊趾处径向残余拉应力逐渐增大,压应力区域的残余压应力峰值逐渐减小。(3)曲面径向截面面积和焊缝宽度的增加,均会引起焊趾处残余拉应力峰值的增大并导致曲面对焊结构焊接残余应力水平的升高,降低结构整体的耐腐蚀性能和疲劳性能。(4)在选用曲面壁厚小于4 mm的曲面结构进行工程设计时,曲面结构的焊接残余应力分布对壁厚变化十分敏感,极易导致结构内部残余拉应力的增大和应力集中区域的产生,在进行曲面对焊结构设计时应慎重选用小壁厚结构。参考文献:1 HAN S Y,S H I N S Y,S E O C H,e t a l.E f f e c t s o f M o,C r,a n d V a d d i t i o n s o n t e n s i l e a n d c h a r p y i m p 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p e l i n e s t e e l l a s e r-w e l d e d j o i n t sJ.M a t e-r i a l s,2 0 1 9,1 3(1):1 2 1.1 1S UN Z,YU X H.P r e d i c t i o n o f w e l d i n g r e s i d u a l s t r e s s a n d d i s t o r t i o n i n m u l t i-l a y e r b u t t-w e l d e d 2 2 S i M n 2 T i B s t e e l w i t h L T T f i l l i n g m e t a lJ.J o u r n a l o f M a t e r i a l s R e s e a r c h a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 2,1 8:3 5 6 4-3 5 8 0.1 2GHA F OUR I M,AHO L A A,AHN J,e t a l.N u m e r i-c a l a n d e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n s o n t h e w e l d i n g r e-s i d u a l s t r e s s e s a n d d i s t o r t i o n s o f t h e s h o r t f i l l e t w e l d s i n h i g h s t r e n g t h s t e e l p l a t e sJ.E n g i n e e r i n g S t r u c-t u r e s,2 0 2 2,2 6 0:1 1 4 2 6 9.1 3AN G,P A R K J,L I M W,e t a l.C h a r a c t e r i s t i c s o f w e l d i n g r e s i d u a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n i n d i s s i m i l a r w e l d j o i n t sJ.M e t a l s-O p e n A c c e s s M e 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