多道多层堆焊成形数值模拟及残余应力研究学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于《机械科学与技术》2023年第42卷第3期，由重庆大学材料科学与工程学院张雪、夏玉峰、滕海灏、彭梦霞、金力五位作者完成，研究获得了国家自然科学基金项目（51775068）资助。论文利用Marc有限元软件对高温合金的多道多层堆焊过程进行了数值模拟，系统讨论了堆焊厚度和堆焊路径对焊后残余应力的影响，为多道多层堆焊工艺的优化提供了理论指导。

残余应力是焊接过程中不可避免的物理现象，对焊接结构的力学性能、尺寸精度和服役寿命具有重要影响。在多道多层堆焊中，由于热循环的反复作用和热应力的累积效应，残余应力的分布规律比单道焊更为复杂。高温合金因其高导热性差、热膨胀系数大、抗热疲劳性能有限等特点，对残余应力的敏感性尤为突出。

堆焊厚度对残余应力的影响

厚度增加导致应力峰值增大

研究表明，堆焊厚度的增加会导致横向残余应力峰值增大，并使堆焊层局部应力的方向发生改变，从而受到多向应力作用。这一结论可以从焊接残余应力的产生机制来理解：焊接过程中，焊道区域被加热至高温，产生热膨胀；冷却后，焊道区域收缩受到周围冷材料的约束，产生拉应力。堆焊厚度增加意味着每次焊接的熔敷量增大，热输入增加，热影响区的范围和程度也随之增大，从而导致更高的残余应力峰值。

多向应力作用的风险分析

当堆焊层受到多向应力作用时，其失效模式可能从简单的拉伸屈服转变为复杂的剪切屈服或脆性断裂。根据von Mises屈服准则，多向应力状态下的等效应力可能超过材料屈服强度，导致堆焊层产生塑性变形或裂纹萌生。

从FMEA（失效模式与影响分析）的角度来看，堆焊厚度过大可能导致以下失效模式：

• 堆焊层开裂：残余拉应力超过材料抗拉强度，导致表面或层间裂纹。
• 堆焊层剥落：界面处的残余应力导致堆焊层与基体分离。
• 尺寸变形：残余应力释放导致堆焊件尺寸精度下降。

工程建议

论文明确指出，堆焊层在满足使用要求的前提下，堆焊厚度不宜过大。这一结论在实际工程中具有重要的指导意义。在实际生产中，应根据使用工况确定最小堆焊厚度，避免盲目增加堆焊层厚度。对于需要较厚堆焊层的场合，应采用逐层堆焊的方式，控制每层的厚度，并通过合理的焊道排列来优化残余应力分布。

堆焊路径对残余应力的影响

逐道堆焊与逐层堆焊的对比

论文对比了"逐道堆焊"和"逐层堆焊"两种路径策略产生的残余应力分布情况。逐道堆焊是指先完成一道焊道的所有层，再开始下一道焊道；逐层堆焊是指先完成一层的所有焊道，再开始下一层的堆焊。

研究结果表明，逐层堆焊相比于逐道堆焊所产生的残余应力分布更加均匀，且残余应力峰值更小。这一结论可以从热循环的分布规律来理解：逐层堆焊时，每一层的焊道在温度上相对均匀，热循环的累积效应较为分散；而逐道堆焊时，同一道焊道的多层堆焊导致局部热循环过于集中，残余应力在该区域高度集中。

层间应力释放现象

论文还发现，由于受到前后焊缝温度的影响，堆焊层间存在应力释放的现象。这一现象是多层堆焊中应力演化的重要特征：后焊的焊道对先焊的焊道产生再热效应，部分释放了先焊焊道中的残余应力。这种应力释放效应是多层堆焊中残余应力分布不同于单道焊的重要原因之一。

数值模拟方法与技术要点

Marc有限元分析的关键设置

多道多层堆焊的数值模拟是一个高度非线性问题，涉及热-力耦合、材料相变、塑性变形和接触非线性等多个复杂因素。在Marc有限元分析中，需要关注以下关键设置：

• 单元类型：采用热-力耦合分析，热分析使用热传导单元，力学分析使用弹塑性单元。
• 材料模型：高温合金的材料参数（弹性模量、屈服强度、热膨胀系数等）应随温度变化，采用温度相关的材料模型。
• 焊接热源模型：采用移动热源模型模拟焊接过程，热源参数（功率、效率、分布形式）应根据实际焊接工艺标定。
• 边界条件：根据实际堆焊件的约束条件设置边界条件，模拟焊接过程中的约束效应。
• 时间步长：采用自适应时间步长，在焊道经过区域采用较小的时间步长以提高计算精度。

模拟结果与试验验证

数值模拟结果需要与实际焊接试验进行对比验证。在实际工程中，可以采用以下方法验证残余应力的模拟结果：

• X射线衍射法：测量堆焊层表面的残余应力，精度较高但只能测量表面应力。
• 中子衍射法：测量堆焊层内部的残余应力分布，但需要中子源设备。
• 盲孔法：通过钻孔释放残余应力，测量应变释放量推算残余应力，适用于现场测量。
• 磁弹法：利用磁弹效应测量铁磁性材料中的残余应力，适用于现场快速检测。

与工程实践的结合

在钢管与管件制造中的应用

在钢管的埋弧焊和螺旋埋弧焊制造中，多道焊是厚壁管制造的常见工艺。本文的残余应力研究结论对于厚壁钢管的多道焊工艺优化具有重要的参考价值。特别是对于大口径厚壁钢管，逐层堆焊的路径策略可以有效降低残余应力峰值，提高焊接接头的疲劳性能。

在管件制造中，弯头和异径管的厚壁区域通常需要多层多道焊。根据本文的研究结论，应采用逐层堆焊的路径策略，并控制每层的堆焊厚度，以优化残余应力分布。对于高温合金管件，残余应力的控制尤为重要，因为高温合金对残余应力的敏感性远高于普通碳钢。

残余应力控制工艺措施

基于本文的研究结论，在实际生产中可以采用以下残余应力控制措施：

1. 优化堆焊路径：优先采用逐层堆焊策略，避免局部应力集中。
2. 控制堆焊厚度：在满足使用要求的前提下，尽量减少堆焊厚度。
3. 合理排列焊道：采用对称焊道排列，使热输入均匀分布。
4. 控制层间温度：通过层间温度控制调节热循环参数。
5. 焊后热处理：对于残余应力要求严格的部件，采用去应力退火处理。

学习心得与启示

本文通过数值模拟方法系统地研究了堆焊厚度和堆焊路径对残余应力的影响，为多道多层堆焊工艺的优化提供了重要的理论依据。研究结果表明，逐层堆焊策略在残余应力控制方面优于逐道堆焊策略，这一结论对于实际生产中的焊道路径规划具有直接的指导意义。在实际工程中，应充分利用数值模拟技术预测和优化残余应力分布，同时结合试验验证确保模拟结果的可靠性。对于高温合金等对残余应力敏感的材料，残余应力的控制应作为焊接工艺优化的核心目标之一，通过合理的工艺设计将残余应力控制在允许范围内，确保焊接结构的服役安全性和可靠性。