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学习体会

文献概况与研究价值

本文出自江苏科技大学能源与动力工程学院，发表于《塑性工程学报》2020年第27卷第8期。研究基于ABAQUS有限元分析软件，模拟了大型船用气阀在有预拉伸力和无预拉伸力两种条件下的等离子堆焊过程，通过生死单元技术实现焊料的逐步填充，系统分析了预拉伸应力对焊后残余应力分布的影响规律。该研究对于解决船用气阀堆焊修复中的残余应力控制问题具有重要的工程指导意义。

有限元建模技术要点

生死单元技术

生死单元（Birth and Death Elements）是ABAQUS中模拟焊接填充过程的有效方法。在堆焊过程中，焊料逐步熔化、填充、凝固，生死单元通过激活和休眠单元来模拟这一过程。研究建立了多个分析步，每个分析步对应一定量的焊料填充，实现了堆焊过程的逐步模拟。

材料性能参数

研究考虑了不同材料性能参数随温度的变化，这是焊接有限元分析的关键。钢在高温下弹性模量急剧下降，屈服强度显著降低，热膨胀系数增大。准确的材料本构关系是获得可靠残余应力预测结果的前提。

预拉伸工艺原理与效果分析

预拉伸焊接法的核心思想是在焊接前对工件施加一定的拉伸应力，使基体处于受拉状态。焊接过程中，熔池凝固收缩产生的压缩应力与预拉伸应力部分抵消，从而降低焊后残余拉应力。

研究结果表明，当预拉伸应力σp = 20%σs（屈服强度的20%）时，效果最为明显：

• 焊缝区残余应力降低幅度达43%
• 整个焊接件残余应力分布更为合理
• 应力梯度得到大幅改善

这一结果与焊接残余应力控制理论高度吻合。焊接残余应力的本质是热应力与组织应力的叠加，预拉伸相当于在焊接前引入一个均匀的背景应力场，与焊接热应力场叠加后改变了残余应力分布。

轴向焊缝处应力不减反增现象

研究特别指出，在轴向焊缝处应力不减反增。这一现象需要从应力叠加的角度理解：预拉伸在周向（堆焊环向）有效降低了残余应力，但在轴向方向，预拉伸与焊接热应力方向一致，产生叠加效应，导致轴向应力增大。

缺陷分析与工艺优化

研究最后对产生的缺陷进行了分析，并得到了优化的工艺参数。从工程实践角度，船用气阀堆焊修复中常见的缺陷包括：

1. 裂纹：高残余拉应力是裂纹萌生的主要驱动力，预拉伸可有效降低裂纹风险
2. 气孔：等离子堆焊保护气氛控制不当导致
3. 未熔合：堆焊层与基体界面结合不良
4. 稀释：基体金属过度熔化进入堆焊层

模拟结果与试验结果的吻合验证了有限元模型的可靠性，为工程应用提供了信心。

工程实践启示

在船舶维修和管道修复领域，大型气阀、止回阀等部件的密封面堆焊修复是常见作业。残余应力控制是确保修复质量的关键。预拉伸工艺的实施需要专用的工装夹具，对现场修复作业提出了设备要求。

从PDCA循环角度分析：

• Plan（计划）：通过有限元模拟预测残余应力分布，确定最优预拉伸应力
• Do（执行）：在工装夹具上施加预拉伸力，进行等离子堆焊作业
• Check（检查）：通过X射线衍射或盲孔法检测焊后残余应力
• Act（改进）：根据检测结果调整预拉伸应力和堆焊参数

总体而言，该文献为船用气阀堆焊修复的残余应力控制提供了系统的理论分析和数值模拟支撑，20%屈服强度的最优预拉伸应力结论具有直接的工程指导价值，但轴向应力增大的问题需要在实际工艺中通过后续应力消除处理（如振动时效或热处理）来弥补。