焊接不可避免產生殘余應力，對結構完整性造成很大影響。提出利用高壓水射流噴丸技術 降低焊接殘余應力，并利用有限元法進行計算模擬。分別開發 了模擬焊接 的移動雙橢球熱源子程 序及模擬高壓水射流噴丸 的移動壓力載荷子程序 ，得到 了經高壓水射流噴丸處理前后焊接殘余應 力分布的變化規律。計算結果表明，經高壓水射流噴丸處理后，焊縫和熱影響區存在 的焊態殘余應力得到降低，在焊縫 區已經產生壓縮應力。證明高壓水射流噴丸具有降低焊接殘余應力的效果。

0 引言

焊接是現代生產不可缺少 的加工工藝 ，但焊 后不可避免產生殘余 應力 ，對結構完整性產生很 大影響。如何降低殘余應力一直是研究的熱點 問 題 ，其 方 法 主 要 有 :焊 后 熱 處 理 (Post—weldingheattreatment，簡稱 PWHT)、力學形變法(過載拉 伸 、振 動 時 效 、錘 擊 、噴 丸 、爆 炸 處 理 等 )和 溫 差 形 變 法 ? 。 PW HT 是 當 前 焊 后 消 除 殘 余 應 力 的 最 主 要方法 ，但 目前很多容器都未經熱處理直接使用 。 機械作用法雖然應用較為廣泛，但這些方法難 以 消除死角部位 (如接管根部 )的殘余應力 ，使得斷 裂失效往往產生于死角位置。

高壓水射流是一種新的表 面強化方法 ，與傳 統噴丸相 比具有強化效果好 、成本低 、無污染 、便 于實現 自動化和容易對狹窄 、深 凹槽部位進行強 化 等 諸 多 優 點 j。 2O 世 紀 80 年 代 末 ，Zafred 首 先提 出利用高壓水射流進行金屬表面噴丸強化的 思想 ，從而開始了高壓水射流噴丸強化 技術 的研 究 。國內，董星等 對高壓水射流噴丸強化 技術進行 了研究 ，指 出高壓水射流噴丸 能使材料 表層產生塑性變形 ，得到理想的組織結構 和殘余 應 力 分布 。

文中提出采用高壓水 射流降低 焊接殘 余應 力，并利用有限元法進行數值模擬，獲得經高壓水 射流處理前后殘余應力 的變化 ，并從機理上進行 解釋 ，證明高壓水射流是一種 降低焊接殘余應力 的有效方法 。

1 有限元模型

1.1 高壓水射流降低殘余應力過程

高壓水射流是 以水 作為工作介質 ，通過增壓系統和特定形狀 的噴嘴產生高速射流束 ，形成具 有極高能級密 度 的水射 流束。高壓水 射流 降 低殘余應力的具體過程如圖 1所示。噴頭垂直于試樣表面 ，并沿著 P方 向平行移動 ，水道 中的水 由超高壓泵輸送到噴嘴處 ，形成高壓 ，經噴嘴后沖擊在試件焊縫表面上。

1.2 有限元分析思路

首先對焊接溫度場進行模擬，然后計算殘余應力，最后對高壓水射流沖擊焊縫表面進行模擬。由于焊接溫度場對殘余 應力影 響很大 ，而應力場 對溫度場的影響很小，利用 ABAQUS開發出一個 順次耦合 的計算程序來模擬焊接殘余應力 。 首先計算溫度場 ，將各節點溫度場計算結果輸出 到結果文件作為力分析 的預定義場 ，在力分析過 程中，從此預定義場 中讀取各節點的溫度 ，進行插 值計算得到焊接殘余應力場 ;然后 ，模擬移動高壓 水射流噴射壓力載荷 ，作用在焊縫表面 ，得到高壓 水射流處理后的殘余應力分布 ，并與高壓水射流 處理前 的殘余應力進行比較。

1.3 幾何模型及網格劃分 

以不銹鋼復合板補焊接頭為例，如圖2所示。復 層 材 料 304 不 銹 鋼 ，基 層 材 料 Q345R ，厚 度 分 別 為 3 和 17 mm ;復 合 板 尺 寸 為 300 mm ×30 0 mm × 20mm。在覆層材料中間位置進行補焊，補焊深 度 為 4 m m ，其 中 基 層 刨 深 1 m m ，坡 口 角 度 3 0。

利 用 有 限 元 軟 件 ABAQUS，根 據 圖 2 所 示 幾 何尺寸建立三維模型。利用單元鈍化與激活方法 來形成焊縫金屬。在焊縫及熱影響區 ，殘余應力 比 較 大 ，網 格 劃 分 較 為 密 集 ，在 遠 離 焊 縫 的 區 域 ， 網格較為稀疏 。圖 3示 出了網格劃分模式 ，共有 55575 個 節 點 和 49728 個 單 元 。 溫 度 場 采 用 D C 3 D 8 單 元 ，應 力 場 計 算 采 用 C 3 D 8 單 元 。 熱 分 析和力分析采用相同的單元和節點 。

1.4 材料參數

材料參數的選取需要考慮焊接過程隨溫度變化的效應，并且假定材料在高溫狀態下，物理性能不變。計算焊接溫度場和殘余應力場所需 物 理 性 能 和 力 學 性 能 參 數 ，焊 接 采 用 手 工 電 弧 焊 ，電 流 155 A ，電 壓 25 V ，焊 接 速 度 2.5 mm/s，焊 接 熱 效 率 取 0.85。

1.5 邊界條件和初始條件
在焊接溫度場 中，模 型外表面為對流和輻射邊界條件，對流系數取 10W/(m ·K)，輻射發射 率 取 0.85，初 始 溫 度 取 20 °C 。

在殘余應力分析和水射流分析 中，在不銹鋼 復 合 板 底 部 4 個 端 點 約 束 其 所 有 自 由 度 ，限 制 焊 件的剛性移動。

1.6 溫 度 場 模 擬

采 用 標 準 的 Goldak 雙 橢 球 熱 源 模 型 ，它 由 前 后 兩 個 1/4 的 橢 球 組 成 ，數 學 表 達 式 如 下 :

模型前半部分橢球的體熱流密度分布為 :

將電弧看成輻射狀對稱并成雙橢球分布作用 于焊縫表面，用 FORTRAN語言編寫熱源子程序DFLUX，在 ABAQUS中調用該子程序進行計算。 隨著時間t的變化，電弧中心沿焊縫表面做直線 移動，實現了熱源的移動，進行熱分析，得到焊接 溫 度 場 。

1.7 殘余應力計算
在殘余應力分析過程 中，將各節點溫度場計算結果輸 出到結果文件作為力分析 的預定義場 ， 再從預定義場 中讀取各節點的溫度 ，進行插值計 算 得 到 焊 接 殘 余 應 力 場 。

假定總應變可表示成 :

由胡克定律可計算 出彈性應變 ，塑性應變服 從 Mises屈 服 準 則 以 及 各 向 同 性 強 化 模 型 ，熱 應 變根據熱膨脹系數計算。

1.8 高壓水射流模擬

高壓水射流對試樣的作用力隨著沖擊半徑增 大 而 減 小 ，直 至 為 零 。 其 分 布 曲 線 如 圖 4 所。

將高壓水射流沖擊過程看成是一具有函數分布的分布力加載在焊縫表面。用 FORTRAN語 言，將式(4)編寫為一個三維的高壓水射流移動 載荷子程序 DLOAD，在 ABAQUS中調用該子程 序進行計算 ，得到經高壓水射 流處理的殘余應力 分布。

本次模擬計算取噴嘴直徑為 1mm，射流噴丸 壓 力 為 500 MPa，則 根 據 文 獻 計 算 得 射 流 作 用 于 復 合 板 上 的 沖 擊 半 徑 為 1.291 mm ，射 流 作 用 于復合板上的沖擊 中心處軸心動壓 P =500 MPa。取與實際噴丸條件吻合，取射流沖擊半徑 為 1 .3 m m ，本 次 模 型 中 焊 縫 寬 度 8 .6 m m ，為 使 水射流能夠加載完在整個焊縫區域,可將高壓水射流沿不重復路線沖擊7次。
為簡化計算,提出以下基本假設”:(1)忽略射流基本段橫向速度的影響;
(2)射流垂直沖擊試件表面,對試件施加的是非線性軸對稱面分布載荷;
(3)忽略射流沖擊持續時間的影響,以準靜態壓力分布代替瞬態沖擊壓力分布;
(4)受高壓水射流沖擊的覆材和基材為均質的各向同性體。

2結果與分析

圖5示出了某時刻焊接溫度場分布云圖。焊縫中心最高溫度為2342 ℃,整個焊縫區域溫度均已超過熔點,這說明計算模擬與實際的熔池和熱影響區尺寸大致相符。遠離焊縫中心,溫度逐漸降低。

分別定義沿x,y和z方向的殘余應力分別為橫向應力o,厚度應力o,縱向應力0.。由于厚度方向應力。,很小,因此不對其進行分析。圖6,7分別示出了模型在高壓水射流加載前后o,和0,分布云圖。從圖中應力顏色變化很明顯可以看出,焊縫及熱影響周圍區域表面的殘余應力得到了大大降低,說明高壓水射流能夠降低焊接殘余應力。

圖8示出了高壓水射流加載前后焊縫表面殘余應力分布。在焊態下,焊縫及熱影響區產生了較高的殘余拉應力。在焊縫區域,最大橫向和縱向應力分別為198和288 MPa,在熱影響區,最大橫向和縱向應力分別為223和269 MPa。這是由于焊接熱輸入引起材料不均勻局部加熱,熔池高溫區材料的熱膨脹受到周圍材料的限制,產生不均勻壓縮塑性變形,在冷卻過程中,已發生塑性變形的這部分材料受到周圍材料的制約,而不能自由收縮,形成了拉應力。遠離焊縫和熱影響區,應力逐漸降低。

從圖8可以看出,經高壓水射流作用后,殘余應力得到降低。在焊縫區,橫向應力降低到-18.9 MPa以下,最大降低至-46. 7 MPa,最大1降低幅值達到216.8 MPa,平均降低了122.2%;縱向應力降低到68.9 MPa以下,最大降低至-66.1 MPa,最大降低幅值達到354.0 MPa,平均降低了103.4%。在熱影響區,橫向應力降低到66.1 MPa以下,最大降低至-7.2 MPa,最大降低幅值達到215.4 MPa,平均降低了88.7% ;縱向應力降低到104.3 MPa以下,最大降低至93. 5MPa,最大降低幅值達到175.8 MPa,平均降低了

60.9% 。

由以上分析可知 ，經高壓水射流處理后 ，焊縫 表面及熱影響區的殘余應力得到了很大程度的降 低 ，在焊縫區已經產生了壓縮應力 ，有效控制了疲 勞源 的萌生 和裂紋 的擴展 。

圖9示出了焊縫表面在高壓水射流處理前后 的等效塑性應變分布。可以看出，經高壓水射流 處理后的焊縫區表面等效塑性應變增大。高壓水射流處理作用在內部存在殘余拉應力的不銹鋼復 合板表面上 ，其攜帶 的巨大沖擊壓應力在材料表 層產生足夠的塑性變形 ，由此殘余應力得到松弛。

水射流高速撞擊材料表面，材料表面吸收這種能量后 ，在微觀上必然伴隨位錯結構的改變 ，位 錯在切應力的作用下運動，使 晶體 內的位錯發生 滑移 ，產生強烈的塑性變形 ，晶體內的位錯發生反 復的滑移和攀移 ，導致金屬晶格發生畸變和嚴重 的塑性變形。金屬晶體通過位錯運動產生的微觀 塑性變形又會使峰值殘余應力得 以釋放 ，從宏觀 的表現形式上來看 ，殘余應力就會得到重新分布 ， 故應力水平大大降低且均勻化 ，即構件 的殘余應 力得到釋放。

3 結語

通 過 有 限 元 軟 件 ABAQUS，建 立 了 不 銹 鋼 復 合板三維有限元模型 ，編寫了雙橢球熱源及高壓 水射流移動載荷子程序 ，得到了經高壓水射流處 理前后不銹鋼復合板表面橫 向和縱 向的殘余應力 分布規律。計算結果表明，經高壓水射流處理后 ，焊縫及熱影響區表面的殘余應力得到明顯降低， 在焊縫區已經產生了壓縮應力 ，證 明高壓水射流 是降低焊接殘余應力的有效方法 。

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