预拉伸对船用气阀等离子堆焊残余应力影响的有限元分析——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于《塑性工程学报》2020年第27卷第8期，由江苏科技大学能源与动力工程学院的杨兴林等学者与南京中远海运船舶设备配件有限公司合作完成。研究基于ABAQUS有限元分析软件，模拟了大型船用气阀在有无预拉伸力情况下的等离子堆焊过程，系统分析了预拉伸对焊后残余应力的影响。

船用气阀是船舶动力装置中的关键部件，其密封性能直接影响发动机的工作效率和可靠性。气阀密封面的堆焊修复是船舶维修中的重要工艺，而堆焊残余应力是影响密封性能和使用寿命的关键因素。本文的研究对于优化船用气阀堆焊工艺、提高修复质量具有重要的工程指导意义。

有限元模型构建与关键假设

热源模型

文献采用二次开发热源模型，通过多个生死单元分析步实现焊料的逐步填充。这一方法的核心思想是：

• 生死单元技术：通过激活（birth）和杀死（death）单元来模拟焊接过程中焊料的逐步添加和熔池的逐步扩展。与传统的"生死单元"方法相比，逐步填充方法更准确地模拟了焊接热过程的动态特征。
• 热源模型：采用移动热源模型（如高斯热源、双椭球热源等）来模拟电弧热输入的空间分布和时间演化。二次开发使得热源模型能够更精确地反映实际焊接过程中的热输入特征。
• 多分析步：每个分析步对应一个焊道或一个焊层，通过逐步激活单元来模拟多层多道堆焊过程。

材料性能参数

考虑了不同材料性能参数随温度的变化，包括：

• 弹性模量：随温度升高而降低；
• 屈服强度：随温度升高而降低；
• 热膨胀系数：随温度变化；
• 导热系数：随温度变化；
• 比热容：随温度变化。

这些温度相关参数的准确描述对于模拟焊接过程中的热-力耦合行为至关重要。在实际工程中，材料性能数据的获取通常需要结合DIL热膨胀仪、Gleeble热模拟试验等手段。

关键研究结果分析

预拉伸效果

文献结果表明，预拉伸焊接法可以有效减小焊后残余应力。当预拉伸应力σp=20%σs时（σs为材料屈服强度），效果最明显，焊缝区残余应力降低幅度达43%。

这一结果具有重要的工程意义：

• 应力降低幅度：43%的残余应力降低幅度是显著的，意味着堆焊层的服役可靠性大幅提升。残余应力的降低直接减少了堆焊层开裂、变形和失稳的风险。
• 最优预拉伸应力：20%σs是一个经验性的最优值。预拉伸应力过低时效果不明显，过高时可能导致工件变形过大甚至塑性失稳。这一最优值需要通过系统试验和有限元分析来确定。
• 应力分布改善：预拉伸不仅降低了残余应力的峰值，还改善了整个焊接件的残余应力分布，使应力梯度得到大幅改善。均匀的应力分布有利于提高堆焊层的整体服役性能。

轴向焊缝的特殊现象

文献指出，在轴向焊缝处应力不减反增现象明显。这一现象值得深入分析：

• 几何约束效应：轴向焊缝受到周边焊缝的约束，预拉伸产生的拉应力在轴向方向上无法有效释放，反而与焊接残余应力叠加；
• 热应力集中：轴向焊缝处热输入集中，冷却过程中收缩受限，产生较大的热应力；
• 工艺优化方向：针对轴向焊缝的特殊性，需要采取针对性的工艺措施，如调整焊接顺序、增加预热、采用多道窄焊道等。

残余应力的工程影响

残余应力对船用气阀堆焊修复质量的影响是多方面的：

工艺优化建议

基于文献研究结果，提出以下工艺优化建议：

预拉伸工艺参数

• 预拉伸应力水平：控制在20%σs附近，兼顾应力降低效果和工件变形控制；
• 预拉伸方式：采用机械拉伸或液压拉伸，确保拉伸力均匀施加；
• 预拉伸时机：在堆焊前施加预拉伸力，堆焊过程中保持预拉伸状态；
• 预拉伸保持时间：需覆盖整个堆焊过程及焊后冷却过程，确保残余应力的有效抵消。

焊接工艺参数

• 堆焊层数与道数：根据气阀密封面的尺寸和堆焊厚度要求确定；
• 焊接顺序：采用对称焊接、分段退焊等方式减少焊接变形和残余应力；
• 热输入控制：通过调整电流、电压和焊接速度控制热输入，避免过大的热影响区；
• 层间温度控制：严格控制层间温度，避免过高的层间温度导致组织粗化和性能下降。

学习心得与工程启示

这篇文献的研究成果对于船用气阀堆焊修复工艺的优化具有重要的指导价值。预拉伸作为一种简单有效的残余应力控制方法，其核心原理是通过施加外部拉应力来抵消焊接产生的压缩残余应力。20%σs的最优预拉伸应力水平为工程实践提供了明确的技术参数。

在实际工程中，我深刻体会到残余应力控制对于堆焊修复质量的关键作用。特别是在大型船用气阀等关键部件的修复中，残余应力不仅影响修复质量，还直接关系到船舶的安全运行。预拉伸方法的引入，为堆焊修复工艺提供了一种经济有效的残余应力控制手段。

从技术发展趋势来看，有限元模拟与试验验证相结合的方法已经成为焊接工艺优化的重要手段。通过建立准确的有限元模型，可以在试验前预测不同工艺参数下的残余应力分布，指导工艺优化，减少试验次数，降低研发成本。建议在实际工程中，建立系统化的残余应力数据库和有限元模型库，为堆焊修复工艺优化提供可靠的技术支撑。