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材料模型对T形接头焊接残余应力和变形的影响
傅光明，Segen F. Estefen，Tetyana Gurova和Marcelo Igor Lourenco
背景：
焊接引起的残余应力和变形对船舶和海上结构的极限强度有不利影响。已经进行了各种实验和数值研究，以了解不同因素（如边界条件，焊接顺序等）下残余应力和变形的机理。在本研究中，进行了实验测试和数值模拟，以研究不同材料模型下焊接引起的残余应力和变形。为了研究材料模型对T型接头焊缝残余应力和变形的影响，开发了一个顺序耦合的热机械有限元模型，该模型实现了高温效应，温度相关材料性质和移动体积热源。有限元模型通过实验测试进行了仔细验证。结果表明，材料模型对残余应力和变形有显着影响。考虑到焊接过程涉及可观的可塑性，材料模型必须仔细校准。
1.简介
焊接引起的残余应力和变形对船舶和海上结构的极限强度性能有重要贡献。 例如，焊接引起的缺陷的存在可以改变腐蚀和断裂性能。 而且，焊接引起的变形和残余应力降低了结构阻力。
为了更好地理解焊接过程及其对残余应力和变形的影响之间的相互作用，已经通过实验测试和数值模拟进行了几项研究工作（Ozcatalbas and Vural 2009; Guirao et al。2011; Deng 2013; Fu等2014）。欧洲中子技术网络结构完整性标准化（NeT）开展了一系列研究焊接残余应力的程序，并开发了精确的数字技术，以帮助研究人员了解焊接残余应力的机制核工业（Smith和Smith 2009a，2009b; Xu等，2012;Muraacute;nsky等，2012a，2012b）。由于数值模拟技术已成为研究焊接引起的残余应力和变形的一种有效工具，出于不同目的，在数值模型中考虑了各种影响因素。例如，Fu等人（2016）开发了一个实验验证的数值模型来研究焊接序列对残余应力和变形的影响。研究中讨论了不同焊接顺序下残余应力和垂直变形的变化。 Deng和Murakawa（2006）和Deng（2009）用不同的数值模型来研究不同相变假设下的残余应力变化。为了研究边界条件效应，Fu et al。 （2014）进行了各种数值模型研究约束条件对残余应力和扭曲的影响机制。材料模型，尤其是应变硬化特性，对焊接引起的残余应力和变形有显着影响。 Muraacute;nsky等人。 （2012a）开发了一个更精确的材料本构模型来研究其对不锈钢焊接过程中残余应力和变形的影响。
通过实验测试校准的数值技术是近十年来焊接过程模拟的常用选项;由于与材料特性相关的过度简单化和不确定性，通常会获得某些不切实际的结果。在本研究中，提出了一个参数研究，以便根据实验测试和数值模拟理解材料模型对残余应力和变形的影响。 Goldak的双椭球热源模型的参数是用神经网络确定的（Fu等，2015b）。数值模型已通过实验测量成功验证。实验测试和数值模拟都是可重复的。在各种材料模型下分析T型接头焊缝的焊接残余应力和变形。通过比较结果，可以得出结论，材料模型应根据材料属性仔细校准，以便对焊接过程进行适当的数值模拟。
2．实验设置
低碳钢（DH36）用于实验测试。 如图1（a-c）所示，本研究制造了三个T型接头标本。 为了防止焊接过程中的刚体运动，样品受到八个金属件的约束。 如图1（b）所示，采用长度为10 mm的六点定位焊来约束网。 表1显示了样品的几何尺寸。表2中详细示出了焊接程序。采用了自动单面金属惰性气体（MIG）焊接程序。 当温度冷却到环境水平时，第二个角焊缝被激活。该
使用三维便携式三坐标测量机（CMM）在焊接前后测量法兰上表面上目标点的坐标，精度为0.026mm。 如图2所示，可以通过使用焊接过程之前和之后的坐标差来计算挠度。
表： T型接头的几何形状
表： 焊接过程的参数。
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实验案列 |
角焊缝 Nth |
电流 A |
电压 V |
焊接速度mm/min |
腿长 mm |
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SP-T- |
1 |
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SP-T- |
2 |
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3 |
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4 |
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SP-T- |
6 |
在目前的实验研究中，X射线便携式设备（Gurova等，2015; Fu等，2016）被用来测量残余应力分布。 如图3所示，采用底面A，B，C，D，E和F的目标点来研究残余应力分布。图4详细显示了目标点的位置。
- .数值模拟
3.1。有限元模型
在数值分析中，考虑了高温效应和温度相关材料特性的顺序耦合热机械有限元模型如图5所示。八节点线性砖块传热元件（DC3D8）和不兼容 模式八节点砖单元（C3D8I）分别用于热分析和机械分析。 使用距离板中心线-50，-25,0,25和50mm的目标点TC-1，TC-2，TC-3，TC-4和TC-5来监测温度变化， 如图2所示。在目前的热分析中，由焊接电弧引起的热输入被简化为与图6（a）所示的几何结构相似的Goldak体积热源模型（Goldak et al。1984）。在前面的功率密度分布
移动热源qf和后部qr分别由等式（1）和（2）支配。其中，af代表热源前半椭圆的半轴，ar代表热源后部的半轴。通过等式（3）计算总热通量密度qt。戈达克的热源已被用于众多的焊接模拟中（Fu
等人。 2015a，2015b，2016）。 Fu et al。 （2015b）开发了一种神经网络方法来预测Goldak热源模型的参数，并通过实验测试对结果进行了校准。在本模拟中，通过神经网络（Fu等，2015b）预测了Goldak热源模型的参数（af = c = b = 4.5mm和ar = 18mm）。
其中X =（x-x0），Y =（y-y0）costheta; （z-z0）sintheta;和Z = - （y-y）sintheta; （zz）costheta;和（x，y，z） （x，y，z）点的初始位置，
坐标系; theta;表示焊炬角度，如图6（b）所示，本研究采用theta;= 45°。 本研究采用图6（b）和theta;= 45°。 热效率，U是电弧电压，I是焊接电流; v和t是瞬态焊接速度和时间。 eta;代表焊接效率，在本研究中假定0.85（KEMPPI 2013）; ff和fr分别代表前方和后方
热通量的热分配，where f = 2af and f =
a f ar are assumed (Nguyen et al. 1999), respectively.
Q = eta; · U · I (4) (4)
由自然对流（qc）和从样品到环境的辐射（qr）引起的热损耗用分别由方程（5）和（6）控制的牛顿和斯蒂芬 - 玻尔兹曼定律描述。
qc = minus;h(Tminus; T0 ) (5) (5)
qr = minus;esigma; [(T 273.15)4 minus; (T0 273.15)4] (6)
其中T是当地表面温度，T0（25°C）是环境温度。 在本研究中，考虑了自然对流和辐射热边界条件。 由于测试数据的限制，传热系数h被假定为10 Wm-2K-1（Malik等人1974; Smith和Smith 2009b; Dal等人2014），发射率（e）为 冷轧钢为0.85（Omega 1998），Stefan-Boltzmannsigma;为5.67times;10-8 Wm-2K-4。
在有序的机械分析中，为了提供节点温度，在热分析中获得了预定义的温度场。 {dε}表示积分点处的应变增量：
当 是弹性的，塑性，热和蠕变应变增量，dεtran是与相变相关的应变增量。
如图5所示，自由收缩边界条件用于本数值模型中，以消除对残余应力和变形的影响（Fu et al。2014）。 在数值计算中通过应用边界约束来防止刚体运动，如图5所示。相变应变增量
对低碳钢总应变的贡献不明显（Deng，2009）。 考虑到潜热效应考虑熔池凝固引起的热效应; 在这项工作中，潜热假定为270千焦/千克。 使用ABAQUS（ABAQUS 2010）中提供的内置退火功能模拟高温效应。 在数值模型中假定各向同性退火温度为1300℃（SYSWELD 2006）。 当温度高于退火温度时，累积的等效塑性应变被消除。 只要温度低于退火温度，淬火行为就会重新激活。
3.2 材料模型
在本研究中，采用四种材料模型来数值研究焊接引起的残余应力和变形。 图7（a）显示SYSWELD材料数据库（SYSWELD 2006）中所有案例的一般材料信息。 在案例1中，如图7（a）所示，采用弹性完美塑性模型。 如图7（b）所示，Case-2和Case-3采用了各向同性应变硬化。 在案例5中，运用了硬化模型。 在案例1，案例3和案例5中考虑退火效果。 在情况-2中，退火效果被忽略。
4. 主要结果
4.1 温度曲线
观察监测位置的焊接过程中的温度分布，如图8所示。第一次焊接过程中TC-1和TC-2获得最大温度，这些监测位置的最小温度大小为 在TC-3观察第二次焊接过程。 随着离焊接线的距离增加，温度幅度和坡度减小。 在所有监测点的加热阶段都可以观察到显着的温度梯度。
焊接引起的残余应力
已知在多道次焊接过程中退火行为对残余应力具有可观察的影响。由于在多道次焊接过程中焊接线的相邻区域可以被加热多次，并且当退火影响被忽略时，会引起严重的塑性应变。但是，如图2所示，通过单面焊接工艺进行的两个角焊T接头焊接工艺的退火效果并不显着。通过比较纵向应力和横向应力的大小和分布，如图9（a，c）和图9（b，d）所示，可以得出结论，退火对残余应力的影响可以是在目前的T型接头焊接过程中被忽略。这是因为第二次焊接过程是在T接头冷却到环境温度时进行的，并且由一个焊接引脚引起的高温（高于1300°C）不受另一个焊接过程的影响。此外，高温区域集中在每个焊道的相邻区域，如图10所示。因此，退火效应对残余应力的贡献在焊接焊接过程中可忽略不计温度分布特性。
图11显示了使用X射线技术沿横向测量的残余应力和基于不同材料模型的数值结果。 可以发现，熔合区（FZ）和相邻区域出现较高的残余应力。 随着距焊缝距离的增加，残余应力显着下降。 在远离焊接线的区域，可以忽略焊接残余应力对最终应力的影响。 在这个区域，所有的材料模型假设提供了相同的残余应力预测，包括纵向和横向方向。 然而，在FZ中，尽管所有数值模型都低估了纵向和横向剩余应力的大小，但基于Case-3的材料模型假设的数值模型提供了相对准确的值。
4.2焊接引起的扭曲
图12说明了在第一次和第二次焊接过程中不同监测点下不同材料模式假设下的垂直位移的实验测量和数值结果。可以看出，在初始阶段，所有三个数值 在第一次和第二次焊接过程中，箱体都能提供可接受的结果。 随着焊接电弧沿着焊接线的移动，在实验测试中可以观察到更严重的垂直位移。 然而，基于案例1和案例5的材料模式假设的数值模式低估了垂直位移。 基于Case-3材料模型的数值模拟可以提供更精确的结果。
- 结论
在本研究中，进行了实验测试以研究焊接引起的残余应力和变形。 为了理解材料模型对残余应力和变形的影响，对不同材料模型假设的数值模拟情况进行了分析。
最大残余应力出现在FZ和热影响区（HAZ）。 随着距焊缝距离的增加，残余应力显着下降。 焊接残余应力对最终应力的影响在远离焊接线的区域可以忽略不计。
通常，在焊接过程的数值模拟中应考虑残余应力的退火效应，特别是在多道次焊接过程中。 但是，在目前的单面T形接头焊接过程中，由于高温（高于1300℃）区域集中在焊接区的邻近区域，并且不受其他焊接区的影响， 退火对残余应力的影响是微
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