双相不锈钢大熔深TIG焊接头疲劳裂纹扩展数值模拟

2022-11-11周晓松

机械设计与制造工程 2022年10期

周晓松，邹莹

(南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京 211816)

双相不锈钢兼具铁素体和奥氏体的优点，在工业领域得到了广泛应用[1-3]。与传统TIG焊相比，大熔深TIG焊在外层保护气体中加入少量活性气体，有效增加熔深的同时能保护电极不被氧化。Zou等[4-5]研究发现，大熔深TIG焊能够有效提高双相不锈钢的焊接效率，若将活性元素的浓度控制在合理范围内，可保证接头总体力学性能良好。

焊接结构件的疲劳性能尤为重要。绝大多数机械设备结构件的断裂失效由疲劳引起，因此疲劳问题也逐渐引起学者重视[6-9]。了解疲劳裂纹的扩展行为及机理，对提高工程结构的寿命和服役安全性具有重要的意义。本文对不同保护气体条件下的双相不锈钢焊接接头中疲劳裂纹的扩展行为进行数值模拟研究，深入分析其扩展机理，为疲劳裂纹扩展问题提供合理的预测依据。

1 疲劳裂纹分析理论基础

疲劳裂纹扩展速率的变化规律一般用Paris公式[10]描述，其直观地将裂纹尖端应力场和裂纹扩展速率联系在一起，在工程中广泛使用。其表达式为：

式中：a为裂纹长度；N为疲劳循环次数；ΔK为应力强度因子幅值；c和m是Paris公式中的材料相关参数，其中m与载荷性质类型、构件形状均无关。图1[11]描述了疲劳裂纹扩展完整过程的3个阶段——裂纹萌生(Ⅰ区)、稳定扩展(Ⅱ区)和失稳破坏(Ⅲ区)。焊接结构件中的初始缺陷可能会成为疲劳裂纹源，其存在表示裂纹萌生阶段(Ⅰ区)已结束。材料在失稳破坏阶段(Ⅲ区)会很快失效，该阶段所经历的疲劳循环周次占总体疲劳寿命的比重较小。故对于焊接接头疲劳裂纹扩展行为需重点分析裂纹扩展阶段(Ⅱ区)。

图1 裂纹扩展不同阶段示意图

在数值模拟计算中，若用传统有限元法(FEM)对裂纹进行表征和计算，需对裂纹尖端附近网格不断进行密化和重构，将很复杂并带来庞大的工程量。Belytschko等[12]提出了扩展有限元法(XFEM)，即在FEM的基础上，加入带有非连续性的加强函数以表示计算域内的间断，通过求解水平集方程，描述裂纹位置的动态变化过程，该方法在断裂等强不连续问题计算方面有一定的优越性。

本文基于Paris理论和XFEM方法，在有限元分析软件ABAQUS中对焊接接头疲劳裂纹扩展行为进行数值模拟研究。

2 疲劳试验及模型创建

2.1 疲劳试验

在一定的焊接条件下(焊接电流150 A，焊接速度2 mm/s，保护气流量15 L/min，钨极直径2.4 mm，电弧长度3 mm)，分别使用传统TIG焊(纯Ar保护)和大熔深TIG焊(Ar+0.4%O2保护)对2205双相不锈钢板(尺寸为200 mm×100 mm×12 mm)进行焊接。焊后对两种不同保护气体条件下的焊接接头截面形状进行观察，通过测量熔宽和熔深，发现大熔深TIG焊缝的深宽比明显增加，从传统TIG焊的0.17提高至0.82。

不同气体保护焊的焊接接头在去除焊缝余高后，于图2(a)所示的位置按图2(b)所示尺寸取样，并进行疲劳试验。试样承受恒幅应力循环载荷，以频率为60 Hz的正弦波形式加载。最大载荷取各试样焊缝区抗拉强度的80%，应力比R取0.6。试验所得疲劳寿命将与后续数值模拟结果进行比较。

图2 疲劳试样取样位置及尺寸示意图

2.2 数值模型建立

焊后对焊接接头不同区域尺寸进行测量，基于所测实际尺寸，采用SolidWorks建立不同保护气体条件下焊接接头疲劳试样的三维模型。由于熔合区很小，因此焊接接头模型仅考虑焊缝区及热影响区，截面尺寸如图3所示。

图3 疲劳试样三维模型及尺寸示意图

所用2205双相不锈钢的弹性模量为210 GPa，泊松比为0.27，密度为7.80 g/cm3，屈服强度为450 MPa。其化学成分见表1。

表1 2205双相不锈钢的化学成分 %

在ABAQUS中完成模型建立及材料属性赋予后，于焊缝中心预制尺寸为0.10 mm×0.05 mm的长方形初始裂纹，如图4所示。焊接接头部分(焊缝区和热影响区)单元网格尺寸取0.3 mm，非焊接接头部分取0.5 mm，网格类型为C3D8R。模拟所采用的疲劳载荷条件与试验条件相同，边界条件设置为一端固支，另一端承受循环载荷。

图4 疲劳试样网格划分及初始裂纹位置

3 基于XFEM的疲劳裂纹扩展分析

3.1 疲劳寿命对比

将基于XFEM的数值模拟所得的焊接接头疲劳寿命与试验值进行对比，见表2。由表可知，模拟结果与试验结果吻合程度较高，数值模拟的准确性较高。

表2 疲劳试验与模拟扩展寿命对比

3.2 应力场分布

图5为不同保护气体条件下焊接接头裂纹尖端x-y平面的Mises应力分布云图。由图可以看出，裂纹扩展过程中，其尖端始终存在应力集中现象，驱使裂纹不断向外扩展。传统TIG焊接头试样的疲劳裂纹周边高应力区范围较大，导致其疲劳寿命较短。

图5 焊接接头裂纹尖端x-y平面Mises应力分布云图

3.3 疲劳裂纹破坏情况

模拟所得两种接头试样的破坏位置几乎相同，如图6所示，均为焊缝中心，裂纹扩展路径为直线或类直线。图7为焊接接头疲劳试验破坏位置实物图。模拟破坏位置与疲劳试验破坏位置高度一致，表明模拟结果的准确性较高。

图6 焊接接头模拟破坏位置

图7 实物疲劳试验破坏位置

根据疲劳裂纹扩展的特点，将裂纹的扩展分为两个阶段。第一阶段为裂纹在厚度方向上未穿透阶段，第二阶段为厚度方向穿透后，裂纹沿焊缝方向继续扩展阶段。两种接头试样的伸长量模拟结果如图8所示。由图可知，传统TIG焊接头的断后伸长量小于大熔深TIG焊接头的断后伸长量，第一阶段二者的伸长量接近，均小于第二阶段的伸长量。大熔深TIG焊接头第二阶段的伸长量大于传统TIG焊。第二阶段伸长量较第一阶段明显增加的原因是厚度方向穿透后，试样承受疲劳载荷的面积变小，单位面积承载增大，试样更容易变形。

图8 两种接头试样的伸长量模拟结果

3.4 扩展速率对比

通过对比两种焊接接头疲劳裂纹面积随循环次数的变化情况，研究疲劳裂纹的扩展速率。裂纹面积随循环次数的变化曲线如图9所示，图中竖直虚线表示裂纹厚度方向穿透时的临界循环次数。由图可知，裂纹刚开始扩展时，在两种接头中的扩展速度均较慢。在厚度方向穿透后，扩展速率激增，其原因是形成贯穿裂纹后，承载面积减小，裂纹尖端应力集中现象更加明显，扩展速率亦随之增加。传统TIG焊接头试样中，裂纹在厚度方向上穿透前的循环次数较少，穿透后扩展速率明显加快，即短时间内，裂纹便迅速扩展进入失稳阶段，故其疲劳寿命较低。大熔深TIG焊接头试样裂纹在厚度方向上穿透较晚，且在穿透后经历了更多循环次数才发生破坏，故其疲劳寿命较长。