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

文献概况与技术背景

本文发表于2020年《塑性工程学报》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作者完成，合作单位包括南京中远海运船舶设备配件有限公司。该文献基于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情况下的等离子堆焊过程，通过二次开发热源模型和生死单元技术，实现了焊料的逐步填充模拟。研究结果表明，当预拉伸应力σp=20%σs时，焊缝区残余应力降低幅度达43%，应力分布更为合理。船用气阀是船舶动力系统的关键部件，其密封面和阀杆的堆焊质量直接影响船舶的安全运行，因此该研究具有重要的工程应用价值。

有限元建模与数值方法

有限元模型的关键要素

生死单元技术是模拟焊接填充过程的有效方法。在ABAQUS中，通过将单元状态在"死亡"和"存活"之间切换，可以模拟焊料在不同时间步的填充过程。死亡单元不参与应力应变计算，存活单元则参与计算。这种方法避免了传统焊接模拟中不断修改网格的复杂性，提高了计算效率。

预拉伸工艺的原理

预拉伸焊接法是在焊接过程中对工件施加外部拉伸载荷，使工件在焊接热变形过程中产生塑性变形，从而改变残余应力的分布和大小。其基本原理是：焊接过程中，焊缝区受热膨胀受到周围冷材料的约束，产生压缩塑性应变，冷却后形成残余拉应力。如果在焊接过程中施加拉伸载荷，可以使焊缝区在受热时产生拉伸塑性应变，冷却后形成残余压应力，从而抵消部分残余拉应力。

热源模型的二次开发

等离子弧热源不同于传统的焊接热源，其能量分布具有中心高、边缘低的特征，且等离子弧柱的形态和能量集中程度与常规电弧不同。文献中提到的"二次开发热源模型"意味着作者通过编写用户子程序（如ABAQUS中的DFLUX），自定义了等离子弧热源的空间分布函数和时间演化规律，以更准确地模拟等离子堆焊的热输入特征。这种二次开发能力对于准确模拟特定焊接工艺至关重要。

残余应力分析结果与讨论

预拉伸对残余应力的影响

当预拉伸应力为屈服强度的20%时，效果最为显著。这一结果表明，预拉伸应力需要达到一定的水平才能有效改变残余应力分布，但过高的预拉伸应力可能导致工件过度变形或产生新的问题。20%σs的预拉伸应力水平处于弹性变形阶段，既能有效改变应力状态，又不会导致工件产生永久变形。

轴向焊缝区应力不减反增的现象

文献特别指出"在轴向焊缝处应力不减反增现象明显"，这是一个值得深入分析的现象。可能的原因包括：

1. 几何效应：轴向焊缝区的几何形状和约束条件与环向焊缝不同，预拉伸力在轴向方向的分量可能产生不同的应力重分布效果。
2. 热-力耦合效应：焊接热输入在轴向和环向的分布差异，导致不同方向的残余应力响应不同。
3. 材料各向异性：堆焊层和基体材料的各向异性可能导致不同方向的应力响应差异。
4. 应力集中效应：轴向焊缝区可能存在几何不连续或材料界面，导致应力集中。

这一现象提醒我们，预拉伸工艺的效果并非在所有方向上都是均匀的，需要根据具体的几何形状和载荷条件进行针对性的分析。

残余应力分布的合理性评价

文献提到"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"。残余应力的合理性可以从以下角度评价：

• 应力水平：残余应力峰值是否低于材料屈服强度，是否留有安全裕度。
• 应力分布：应力梯度是否平缓，是否存在应力集中区域。
• 应力状态：是否以压应力为主，因为压应力有利于提高疲劳寿命和抗裂性能。
• 应力对称性：应力分布是否符合几何对称性，是否存在异常的非对称分布。

工程实践启示与应用思考

船用气阀堆焊的特殊性

船用气阀是船舶二冲程或四冲程柴油机中的重要部件，承受高温、高压和交变载荷的综合作用。气阀的密封面通常需要进行堆焊修复或强化，以提高耐磨性和耐蚀性。与一般机械零件相比，船用气阀堆焊具有以下特殊性：

1. 高温服役环境：气阀在排气温度下工作，堆焊层需要承受高温氧化和热疲劳。
2. 高压密封要求：密封面的平整度和硬度直接影响密封性能，堆焊层厚度偏差需严格控制。
3. 交变载荷：气阀的开启和关闭产生交变热-力载荷，残余应力状态直接影响疲劳寿命。
4. 大型化趋势：大型船用柴油机的气阀尺寸大，焊接变形和残余应力控制更加困难。

预拉伸工艺在工程中的实施挑战

虽然有限元分析表明预拉伸工艺可以有效降低残余应力，但在实际工程实施中面临以下挑战：

残余应力控制的其他方法对比

预拉伸法在残余应力降低幅度方面具有明显优势（43%的降低幅度），但需要综合考虑设备投入和工艺复杂性。在实际工程中，可以将预拉伸法与其他方法（如锤击法、振动时效）组合使用，实现残余应力的综合控制。

关键疑问与深度思考

有限元模拟与实验验证的差距

文献提到"模拟结果与试验结果吻合较好"，但有限元模拟与实验之间通常存在一定差距。主要差距来源包括：

1. 材料模型的简化：实际材料在高温下的本构关系复杂，有限元模型通常采用简化假设。
2. 热源模型的近似：等离子弧热源的实际分布难以精确测量和描述。
3. 边界条件的理想化：实际焊接过程中的约束条件复杂，有限元模型难以完全模拟。
4. 接触模型的简化：焊料与基体之间的接触行为受多种因素影响，接触模型通常采用简化假设。

因此，有限元模拟结果应作为工艺优化的指导，而非精确预测。在实际应用中，仍需通过实验验证和工艺调整来确保焊接质量。