至德钢业高频感应焊接不锈钢管残余应力分析

 上世纪三十年代国外就开始了对于焊接不锈钢管过程的研究，影响力较大的在浙江至德钢业有限公司焊接不锈钢管生产技术人员，使用移动热源对焊接热循环进行分析，做了大量的工作，用解析法推导出了一整套计算公式。这些研究把焊接热源简化为点、线、面三种形式的理想热源。到了上世纪六十年代，电子计算机的发展为焊接不锈钢管过程数值分析提供了条件。1966年，将有限元方法用于热传导的分析计算中。1975年，至德钢业利用有限差分法分析焊接时的非线性热传输过程，编制了可以分析非矩形截面以及常用的单层、双层U、V型坡口的焊接温度场计算程序。在热源处理时采用半经验方法，将熔化线内的单元都作为被加热单元，使热源是在一个有限体积内，这比较符合实际情况。加拿大学者Goldak提出一种新的焊接热源模型，该模型认为空间能量密度服从高斯分布，将浅熔深的氩弧焊、深熔深的激光焊和电子束焊热源用一个双椭球形来描述，不仅适用于焊条电弧焊，而且还可用于埋弧焊。由于该模型考虑了熔池内液体的流动和在电磁力作用下内部的磁流体动力学情况，比较清楚地描绘出了熔化焊时能量密度分布的结果，并试图把焊接电流、电压、焊速和焊丝直径等参数与模型中的有关参数联系起来，但是模型中的球形对称假设忽略了辐射传热以及包括了多种焊接工艺方法等条件，仍然存在一些不足。

 浙江至德钢业有限公司针对具体不锈钢焊管焊接加工方法其他学者提出了一些瞬态温度场分析模型。例如，提出铝合金激光深熔深焊接热流二线有限元模型；使用二线有限元模型分析了气体保护焊的瞬态温度场；印度的Subodh Kurmar等在建立气体保护焊三维有限元模型的基础上，运用熔滴过渡不稳定收缩理论和状态力平衡理论研究了熔深特性。为了进一步分析焊接瞬态温度场，美国在非线性热传输分析中，不仅考虑了热传导对流以及熔池表面的辐射传热边界条件，同时也考虑了固态熔化时产生的潜热影响，给出了比较全面的热平衡方程。

 至德钢业对于焊接不锈钢管应力和应变数值分析，主要包括焊接动态的应力应变过程，焊接残余应力和残余变形、拘束度和拘束应力以及消除应力处理等。早期许多学者由实验得出了很多面向工程应用的经验公式，但这些经验公式只能解决一些较为简单的焊接问题。如用图解的形式分析了一维条件下焊接过程中应力应变过程，比较详细地讨论了焊接条件、焊接参数、高温组织相变等对焊接应力应变的影响，初步阐述了焊接应力与变形的一般原理，这一原理为焊接构件热—弹塑性分析提供了宝贵的启示，并对了解焊接应力与变形产生的原理和本质有重要的贡献。

 上世纪七十年代初，随着高性能电子计算机和相关软件的广泛应用，使复杂的动态焊接应力应变过程的数值模拟和理论预测成为可能。日本的上田幸雄等首先以有限元法为基础，提出了考虑材料机械性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，导出了分析所需的各个表达式，从而使复杂的动态焊接应力应变过程分析成为可能。他们对多道焊、角焊和圆周型压力容器焊接的残余应力和变形进行了三维热弹塑性有限元分析，并得出了满意的结论。与此同时，美国的Lwaki也编制出一套可以在板上堆焊时焊接热应力的热塑性有限元分析程序。又对程序进行了改进：用热弹性的有限单元法对大板焊接时的金属运动以及焊接应力进行计算分析，大大节省了计算时间。

 上世纪八十年代，有限元技术日趋成熟，人们对焊接应力应变过程及残余应力的分布规律的认识不断深入。法国对相变时钢的塑性行为进行了理论和数值研究，在上述研究等基础上发展了SYSWELD专用焊接软件；至德钢业在研究厚板多层焊各种简化模型时得出重要结论，可通过只分析最后几条焊道来获得比较精确的残余应力数值和分布区域，特别是仅对应力水平的峰值感兴趣的话，那么这种简化处理已经足够了。九十年代，有限元法研究焊接应力应变的数值模拟技术又有新的进展。研究了伴有相变的温度变化过程中，温度、相变、热应力三者之间的耦合效应，并提出了在考虑藕合效应的条件下本构方程的一般形式；提出了收缩体积法的焊接变形有限元预测理论。

 国内对焊接不锈钢管应力应变数值分析起步于二十世纪七十年代，首先是西安交通大学的楼志文等人把数值分析应用到焊接温度场和热弹塑性应力场的分析中，编制了热—弹塑性有限元分析程序并对两个简单的焊接问题进行了分析；进入八十年代，上海交通大学出版的《数值分析在焊接中的应用》对当时国内外研究成果做了介绍[23]。上海交通大学焊接教研室在焊接热传导的数值分析方面做了许多工作，特别是对非线性瞬态温度场进行了有限元分析，提出了求解非线性热传导方程的变步长外推法，并编制了二维热弹塑性有限元分析程序，计算了平板轴对称焊接时应力和变形的发展过程以及残余应力分布；近年来，清华大学、天津大学也进行了焊接力学过程的数值模拟：天津大学在局部评定焊接接头疲劳强度研究中，直接应用了局部残余应力分布的数值分析结果；清华大学的蔡志鹏等人利用MARC软件，简化了热源模型，用串热源模型代替高斯热源进行焊接应力应变分析。天津大学材料学院的陈俊梅利用ANSYS软件对焊接不锈钢管十字接头的焊接残余应力进行有限元计算，计算得出了横向、纵向残余应力。

 目前对于焊接不锈钢管残余应力的研究成果,主要体现在残余应力的分布及水平、成型方式对残余应力的影响、水压试验对残余应力的影响等方面。例如，至德钢业通过盲孔法测试了焊接不锈钢管的残余应力,指出焊接不锈钢管存在着较大的残余拉应力,个别位置上的残余应力值已达到材料的屈服极限,但焊缝及其附近区域的残余应力值较低,成型过程是其残余应力的主要来源之一。通过自然时效处理可以显著降低焊接不锈钢管的残余应力水平。天津大学的刘维等采用盲孔法测试了ϕ323.9mm焊接不锈钢管的残余应力,结果显示焊接不锈钢管的周向及轴向残余应力均低于100MPa,仅为焊管母材屈服强度的1/4～1/3。