Residual stress analysis of TIG welded joints of SMA490BW weathering steel
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摘要:目的
旨在进行SMA490BW耐候钢TIG焊接接头疲劳寿命的评估。
方法采用盲孔法、X射线法、有限元分析3种方法对SMA490BW耐候钢TIG焊接接头进行了焊接残余应力分析，并对切割小试样引起的残余应力变化进行分析。
结果结果表明，SMA490BW耐候钢纵向残余应力在焊缝拉应力峰值接近材料屈服强度，远离焊缝中心残余应力迅速降低并进一步转变为压应力，此分布规律为典型的纵向残余应力分布特征。在整体试板上采用线切割出用于疲劳试验的足尺寸小试样，小试样上纵向残余应力的峰值接近230 MPa，约为屈服强度的70%，纵向残余应力在横向分布规律保持不变。
结论该部分所建立的有限元模型分析结果与测试数据吻合很好，证实模型的热源模型、力学边界条件均与实际工艺接近，采用该计算模型的精度和正确性可以保障。
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关键词:
- SMA490BW耐候钢 /
- 残余应力 /
- 盲孔法 /
- 有限元法 /
- X射线法
Abstract:[Objective] The purpose was to evaluate fatigue life of TIG welded joints of SMA490BW weathering steel. [Methods] Three methods, namely blind hole method, X-ray method and finite element analysis, were used to analyze welding residual stress of TIG welded joints of SMA490BW weathering steel, and changes of residual stress caused by cutting small specimens were analyzed. [Results] The results showed that longitudinal residual stress of SMA490BW weathering steel approached yield strength of material at the peak tensile stress in weld, and rapidly decreased and further transformed into compressive stress away from the center of weld. This distribution pattern was a typical characteristic of longitudinal residual stress distribution. Full size small specimens were cut by wire cutting on the overall test panel for fatigue testing. The peak value of longitudinal residual stress on small specimens was close to 230 MPa, which was about 70% of yield strength. Transverse distribution pattern of longitudinal residual stress remained unchanged. [Conclusion] Analysis results of this finite element model established in this section were in good agreement with test data, it was confirmed that the heat source model and mechanical boundary conditions of the model were close to actual process. Accuracy and correctness with this calculation model could be guaranteed.
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0. 前言
SMA490BW耐候钢是高铁转向架焊接中常用的焊接材料，具有良好的耐候性和力学性能[1]。SMA490BW耐候钢常用的焊接方法为MAG，这种焊接方法在焊接过程中会产生较为严重的飞溅，会使焊缝质量变差，从而降低焊接接头的性能[2 − 3]。TIG可以减少焊接过程中气孔的产生，使得焊缝更加致密[4 − 5]，因此，采用TIG对SMA490BW耐候钢进行对接焊。在转向架的焊接中，焊接残余应力的存在会直接影响到焊接结构的承载能力和使用寿命[6]。因此，分析焊接接头焊后残余应力的大小成为必要。
应之丁等学者[7]对超声冲击技术消除转向架焊后残余应力方案进行了分析，结果表明：超声冲击对焊接残余应力有一定的消除能力，且能提高焊接接头的硬度。张世欣等学者[8]采用超射流过度焊的方法对SMA490BW耐候钢进行了焊接，研究了焊接接头的残余应力和疲劳强度，结果表明：焊接接头残余应力的峰值仍位于焊缝，但大小明显减小。曹金山等学者[9]采用TIG方法对高速动车转向架进行了熔修，结果表明：采用TIG熔修的方法不仅可以改善焊趾的形状，还可以提高焊接接头的力学性能。目前，针对SMA490BW耐候钢TIG焊接接头残余应力的研究较少。该文采用盲孔法、X射线法、有限元分析3种方法对SMA490BW耐候钢TIG焊接接头进行了焊接残余应力分析，并对切割小试样引起的残余应力变化进行分析，为TIG焊接工艺在转向架焊接中的应用提供参考。
1. 试验材料与方法
1.1 试验材料
母材为厚度8 mm的SMA490BW钢板材，尺寸为500 mm×300 mm×8 mm。焊丝采用ϕ1.2 mm的CHW-55CNH焊丝。母材与焊丝化学成分见表1。
表 1 SMA490BW母材和CHW-55CNH焊丝的化学成分（质量分数，%）Table 1. Chemical composition of SMA490BW base metal and CHW-55CNH welding wire (wt. %)材料 C Si Mn S P Cu Cr Ni SMA490BW $\leqslant $0.18 0.15～0.65 $\leqslant $1.4 $\leqslant $0.035 $\leqslant $0.035 0.30～0.50 0.45～0.75 0.05～0.30 CHW-55CNH $\leqslant $0.10 $\leqslant $0.60 1.20～1.60 $\leqslant $0.020 $\leqslant $0.025 0.20～0.60 0.30～0.90 0.20～0.60 1.2 试验方法
1.2.1 焊接接头的制备
采用的电弧电压为22.6 V，焊接电流为227 A，焊接速度为2.87 mm/s，保护气体为100%Ar，气体流量为22 L/min。采用对接的方法将2块钢板焊接在一起。
1.2.2 盲孔法测试焊接残余应力
该次测试采用济南西格玛科技有限公司的盲孔法残余应力测试系统，系统组成为：ASMB2-16应变采集箱，RSD1型测残余应力打孔仪，综合测试信号分析软件系统及相关耗材等。该次试验沿测试路径上均匀布置10个测点，测点布置图如图1所示，应变花尺寸为8 mm，每个测点盲孔直径为1.5 mm，孔深不大于2 mm。
1.2.3 X射线法测试焊接残余应力
基于对X射线衍射峰半高宽的分析，研究在不同准直器直径及摇摆角条件下X射线衍射晶粒群的微观应变的均匀性，进而探究合理的X射线应力测试工艺参数，并对试件焊接接头残余应力进行测试。 测试示意图如图2所示。
1.2.4 有限元法模拟焊后残余应力
该研究中几何模型是在Catia中完成，网格划分借助于Altair公司的Hypermseh进行，最后将文件导入到marc软件中，建立的模型如图3所示。模型单元数81 600个，单元类型全部采用8节点6面体单元。SMA490BW钢的质量密度为7.8×10−9 T/mm3，泊松比为0.33；热膨胀系数、杨氏模量、屈服强度、热导率及比热随温度的变化规律分别见表2。将材料参数赋予模型后进行计算，模拟中采用的热源为双椭球热源[10]，得到焊接结果，分析焊接残余应力。
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图 3 对接试板焊接有限元模型Figure 3. Welding finite element model of butt test plate. (a) finite element analysis model; (b) weld unit and groove表 2 SMA490BW材料热学与力学非线性参数Table 2. Thermal and mechanical nonlinear parameters of SMA490BW material温度
T/℃弹性模量
E/105 MPa线膨胀系数
$ {\alpha } $/10−6 ℃−1屈服强度
ReH/MPa导热系数
W/(m·℃)密度
ρ/(kg·m−3)泊松比
γ比热容
c/(J·kg−1·℃−1)20 2.07 18.6 355 57 78 0.33 450 150 1.75 18.6 321 50 78 0.33 521 300 1.67 18.6 295 45 78 0.33 825 600 1.25 18.6 157 39 78 0.33 967 800 0.77 18.6 65 35 78 0.33 1 152 1 000 0.15 18.6 10 40 78 0.33 1 152 1 500 0.10 18.6 5 50 78 0.33 1 152 3 000 0.01 18.6 5 55 78 0.33 1 152 2. 结果与讨论
2.1 盲孔法残余应力测试结果
采用盲孔法对焊接板材进行残余应力测试，结果如图4所示。图中横坐标0位置为焊缝中心，距离焊缝中心位置越近，纵向残余应力数值越大，约为330 MPa，接近母材屈服极限。远离焊缝处残余应力逐渐降低，在距离焊缝中心60 mm处，纵向残余应力接近零。随着远离焊缝距离的进一步增大，残余应力表现为压应力，在距离焊缝中心100 mm处，压应力接近200 MPa，在接近试板边缘横向残余应力再次接近零值。该次在焊趾两侧对称测试，分析数据发现，纵向残余应力的对称性很好。
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图 4 盲孔法测试纵向残余应力分布曲线Figure 4. Longitudinal residual stress distribution curve tested by blind hole method2.2 X射线法残余应力测试结果
采用X射线法对焊板残余应力进行测试，测试结果如图5所示。图中横坐标0位置为焊缝中心，在焊缝附近残余应力达到峰值，为320 MPa。随着离焊缝越来越远，残余应力呈下降趋势，且两侧对称。在焊缝中心纵向残余应力峰值接近材料的屈服强度，随着距离焊缝焊趾距离的增大，纵向残余应力迅速降低，距离焊趾80 mm处，纵向残余应力为压应力。
2.3 有限元法残余应力计算结果
对8 mm厚的模型，位移约束条件与焊板约束条件相同。经过热力耦合分析得到有限元法焊接温度场结果如图6所示。焊接温度最高为1 500 ℃，与实际焊接温度相符合。经热力耦合分析得到有限元法残余应力结果如图7所示。焊接残余应力最高达到350 MPa，距离焊缝越远，焊接残余应力逐渐降低，在焊板边缘处表现为压应力。这是因为在冷却过程中，焊缝冷却后纵向收缩被遏制，因此焊缝处的纵向残余应力较大[11]。
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图 6 焊接过程温度场云图Figure 6. Temperature field cloud map of welding process. (a) t=5 064 s; (b) t=5 084 s; (c) t=5 097 s![]()
图 7 焊接纵向残余应力云图Figure 7. Cloud map of welding longitudinal residual stress. (a) cloud map; (b) top view2.4 模拟结果与测试结果
将图7中的纵向残余应力沿着垂直于焊缝的方向进行提取，然后将得到的结果与盲孔法和X射线法得到的残余应力汇总如图8所示。从图中可以看出，除几个奇点之外，盲孔法、X射线及有限元分析数据均表明：在焊缝中心纵向残余应力接近材料屈服强度，远离焊缝中心，残余应力迅速下降并转变为压应力。3种测试方法得到的数据高度吻合，说明有限元分析中热源模型及位移约束条件等同于实际焊接工艺，模型的精度得以保障。
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图 8 8 mm对接板纵向残余应力曲线对比示意图Figure 8. Comparison diagram of longitudinal residual stress curve of 8 mm butt plate2.5 切割小试样引起的残余应力变化
在做疲劳试验时，需要将整体试板切割成小试样。当焊板切割为小试样时，残余应力有一定程度的释放[12]。在进行疲劳试验前，需要知道焊板小试样的残余应力，因此，需要对小试板进行残余应力分析。采用盲孔法与有限元法对焊板小试样的焊接残余应力进行分析。试样切割示意图如图9所示。
对切割后的小试板进行残余应力测试(试板宽度100 mm)，应变片测试点分布情况如图10下排方框所示，上排方框为整体大试板残余应力测试位置，测试位置尽可能接近试板中间位置，同时，该研究认为：测试中打孔直径D<3 mm，单个打孔引起的残余应力再分布对后续测试点残余应力之间不产生影响。
模拟完成焊接整体试板的热‒力耦合有限元分析后，杀死小试样外的其余单元，残余应力再平衡后获得小试样的纵向残余应力场分布云图，如图11所示，从云图上可以发现，高应力峰值有所降低，高应力区域基本不变，远离焊缝中心应力降低。
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图 11 切割小试样后焊接纵向残余应力图Figure 11. Cloud map of longitudinal residual stress after cutting small sample. (a) cloud map; (b) top view将切割前后的残余应力数据进行综合对比，如图12所示。可以发现：有限元测试中纵向残余应力在小试样上的分布规律与盲孔法测试结果吻合性很高，小试板纵向残余应力峰值约为230 MPa，残余应力的分布规律保持不变。无论是有限元分析还是盲孔法测试，在整体试样上切割下宽度为100 mm的小试样，纵向残余应力峰值有一定程度的降低，约为屈服强度的70%，纵向残余应力沿着横向的分布规律保持不变。
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图 12 切割前后纵向残余应力分析综合对比图Figure 12. Comprehensive comparison of longitudinal residual stress analysis before and after cutting3. 结论
（1）验证了SMA490BW对接平板纵向残余应力的横向分布规律，在焊缝区拉应力峰值接近材料屈服强度，远离焊缝中心残余应力迅速降低并转变为压应力。
（2）证实足尺寸小试样（100 mm×300 mm×8 mm）纵向残余应力有一定程度的释放，峰值接近230 MPa，纵向残余应力在横向分布规律保持不变，与外载荷叠加后超过材料的屈服强度，满足足尺寸试样的定义。
（3）有限元分析与盲孔法、X射线得到的数据高度吻合，证实有限元模型、热源模型、力学边界条件均与实际工艺接近，计算模型的精度可以保障。
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图 3 对接试板焊接有限元模型
Figure 3. Welding finite element model of butt test plate. (a) finite element analysis model; (b) weld unit and groove
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图 4 盲孔法测试纵向残余应力分布曲线
Figure 4. Longitudinal residual stress distribution curve tested by blind hole method
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图 6 焊接过程温度场云图
Figure 6. Temperature field cloud map of welding process. (a) t=5 064 s; (b) t=5 084 s; (c) t=5 097 s
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图 7 焊接纵向残余应力云图
Figure 7. Cloud map of welding longitudinal residual stress. (a) cloud map; (b) top view
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图 8 8 mm对接板纵向残余应力曲线对比示意图
Figure 8. Comparison diagram of longitudinal residual stress curve of 8 mm butt plate
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图 11 切割小试样后焊接纵向残余应力图
Figure 11. Cloud map of longitudinal residual stress after cutting small sample. (a) cloud map; (b) top view
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图 12 切割前后纵向残余应力分析综合对比图
Figure 12. Comprehensive comparison of longitudinal residual stress analysis before and after cutting
表 1 SMA490BW母材和CHW-55CNH焊丝的化学成分（质量分数，%）
Table 1 Chemical composition of SMA490BW base metal and CHW-55CNH welding wire (wt. %)
材料 C Si Mn S P Cu Cr Ni SMA490BW $\leqslant $0.18 0.15～0.65 $\leqslant $1.4 $\leqslant $0.035 $\leqslant $0.035 0.30～0.50 0.45～0.75 0.05～0.30 CHW-55CNH $\leqslant $0.10 $\leqslant $0.60 1.20～1.60 $\leqslant $0.020 $\leqslant $0.025 0.20～0.60 0.30～0.90 0.20～0.60 
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表 2 SMA490BW材料热学与力学非线性参数
Table 2 Thermal and mechanical nonlinear parameters of SMA490BW material
温度
T/℃弹性模量
E/105 MPa线膨胀系数
$ {\alpha } $/10−6 ℃−1屈服强度
ReH/MPa导热系数
W/(m·℃)密度
ρ/(kg·m−3)泊松比
γ比热容
c/(J·kg−1·℃−1)20 2.07 18.6 355 57 78 0.33 450 150 1.75 18.6 321 50 78 0.33 521 300 1.67 18.6 295 45 78 0.33 825 600 1.25 18.6 157 39 78 0.33 967 800 0.77 18.6 65 35 78 0.33 1 152 1 000 0.15 18.6 10 40 78 0.33 1 152 1 500 0.10 18.6 5 50 78 0.33 1 152 3 000 0.01 18.6 5 55 78 0.33 1 152
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