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

本文发表于2023年《机械科学与技术》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，研究受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，系统研究了堆焊厚度和堆焊路径对焊后残余应力的影响规律。

核心发现与工程意义

本文的核心发现可以概括为三个方面。

1. 堆焊厚度的影响：堆焊厚度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，使堆焊层受到多向应力作用。因此，在满足使用要求的前提下，堆焊厚度不宜过大。
2. 层间应力释放效应：由于受到前后焊缝温度的影响，堆焊层间存在应力释放现象。这意味着多层堆焊过程中，后续焊道的热循环会对前序焊道的残余应力产生松弛作用。
3. 堆焊路径的影响："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。

残余应力的产生机制

焊接残余应力的物理本质

焊接残余应力是焊接过程中由于不均匀加热和冷却引起的热应力与相变应力的叠加结果。在多道多层堆焊过程中，残余应力的产生机制更加复杂，涉及以下因素。

1. 热应力：焊接区域快速加热膨胀，而周围冷金属约束其膨胀，产生压缩塑性变形；冷却时，焊接区域收缩受到约束，产生拉伸残余应力。
2. 相变应力：某些合金在焊接热循环中会发生固态相变（如奥氏体向马氏体转变），相变伴随的体积变化会产生附加应力。
3. 约束效应：多层堆焊中，后续焊道对前序焊道的约束作用使得应力状态更加复杂。

堆焊厚度对残余应力的影响

堆焊厚度增加导致横向残余应力峰值增大的原因包括：厚层堆焊的热输入更大，熔池体积更大，冷却过程中的收缩变形更剧烈；厚层堆焊的约束程度更高，塑性变形区域更受限；厚层堆焊的梯度温度场更复杂，导致应力分布更加不均匀。

堆焊路径优化分析

逐道堆焊与逐层堆焊对比

逐层堆焊的残余应力分布更加均匀且峰值更小，其机理在于：逐层堆焊过程中，每一层的焊道是连续进行的，热循环对整层的加热和冷却更加均匀；层间的热松弛效应更加充分，前序层的残余应力在后续层的加热过程中得到一定程度的释放。

路径规划的工程优化策略

基于本文的模拟结果，在实际工程中可以采用以下路径优化策略。

1. 薄层多层原则：将总堆焊厚度分解为多个薄层，每层厚度控制在2-3mm以内，可以有效降低单层堆焊的残余应力峰值。
2. 对称堆焊原则：对于对称结构的堆焊，采用对称路径可以减少偏心应力，避免产生附加的弯曲变形。
3. 退火间隔策略：在多层堆焊过程中，当累计堆焊层数达到一定值时，插入一次中间退火处理，可以显著释放累积的残余应力。
4. 反向堆焊策略：相邻层的堆焊方向采用反向排列，可以抵消部分方向性应力，降低整体残余应力水平。

数值模拟方法评析

Marc有限元模拟的技术特点

本文采用Marc有限元软件进行堆焊过程模拟，Marc是Dassault Systèmes公司开发的非线性有限元分析软件，在焊接模拟领域具有以下优势。

1. 热-力耦合分析能力：可以同时进行温度场和应力场的耦合计算，准确反映焊接过程中的热-力相互作用。
2. 材料模型丰富：内置多种焊接材料模型，包括弹塑性模型、蠕变模型、相变模型等，能够描述复杂材料的力学行为。
3. 网格自适应技术：支持焊接过程中的网格生成和更新，可以准确跟踪熔池的移动和凝固过程。
4. 接触与约束处理：可以模拟堆焊层与基体之间的接触状态和约束条件。

模拟结果的可靠性评估

数值模拟结果的可信度取决于以下因素。

与工程实践的结合

残余应力对堆焊层性能的影响

残余应力对堆焊层的服役性能有重要影响。

1. 疲劳性能：残余拉应力会降低堆焊层的疲劳强度，促进疲劳裂纹的萌生和扩展。对于承受交变载荷的部件（如阀门、泵壳等），残余拉应力是重要的失效因素。
2. 应力腐蚀开裂：残余拉应力与腐蚀介质的联合作用会显著增加应力腐蚀开裂的敏感性。对于在腐蚀环境中服役的堆焊层（如化工设备、海洋工程等），残余应力控制至关重要。
3. 尺寸稳定性：残余应力的释放会导致堆焊件在后续加工或使用过程中发生变形，影响尺寸精度。对于高精度要求的部件，焊后热处理是不可省略的工序。

焊后热处理工艺

针对残余应力问题，常用的焊后热处理方法包括。

关键疑问与思考

学习本文后，我有以下几点深入思考。

第一，关于模拟与实际的一致性验证。数值模拟结果虽然提供了残余应力分布的定量预测，但模拟模型的准确性需要通过实际测量来验证。在实际工程中，建议采用X射线衍射法（XRD）或钻孔法测量典型位置的残余应力，与模拟结果进行对比，评估模拟模型的可靠性。对于关键部件，还应开展残余应力的全尺寸测量，建立模拟与实测的关联数据库。

第二，关于高温合金的特殊性。本文的研究对象是高温合金堆焊，高温合金在焊接过程中可能发生特殊的组织转变（如γ'相的析出、溶解和粗化），这些组织变化对残余应力的产生和松弛有重要影响。在模拟中是否充分考虑了高温合金的相变行为和组织演变，是一个值得关注的问题。

第三，关于残余应力与变形控制的协同优化。残余应力和焊接变形是焊接过程中两个密切相关的物理量，两者的控制往往存在矛盾。降低残余应力可能需要增加热输入或延长保温时间，但这可能导致更大的焊接变形。在实际工艺制定中，需要在残余应力控制和变形控制之间寻找最佳平衡点。

第四，关于多层堆焊的累积效应。本文讨论了层间应力释放现象，但多层堆焊的残余应力累积是一个复杂的过程。随着堆焊层数的增加，应力状态会从简单的单向应力转变为复杂的多向应力，甚至可能出现应力反转（从拉应力变为压应力）。这种累积效应的定量预测对于厚层堆焊的工艺优化具有重要意义。

学习心得与启示

本文的研究对于多道多层堆焊工艺优化具有重要的指导价值。核心启示在于：堆焊厚度和堆焊路径是影响残余应力的两个关键工艺参数，通过合理控制这两个参数，可以有效降低残余应力水平，提高堆焊层的质量。

对于从事高温合金堆焊修复和耐磨衬板制造的技术人员而言，理解残余应力的产生机制和控制方法，有助于在工艺制定阶段就预判潜在的失效风险，采取预防措施。在实际工程中，建议采用"数值模拟+工艺优化+焊后热处理+应力检测"的系统化方法，实现残余应力的全过程控制。

同时，本文也提醒我们，堆焊工艺优化是一个多目标优化问题，需要在残余应力控制、变形控制、生产效率、成本控制等多个维度之间寻找最佳平衡点。单纯追求残余应力的最小化可能不是最优解，而应综合考虑堆焊层的服役要求和经济性，制定合理的工艺方案。