董志波 李承昆 王程程 韩放 张植航 滕俊飞 吕彦龙
摘要：
为了探究残余应力对层板冷却结构焊缝服役寿命的影响规律，首先对GH3230层板在常规条件下的激光焊接过程进行有限元模拟与实验验证，然后在此基础上对预拉伸、温差拉伸等焊接残余应力调控方法开展模拟。基于焊后残余应力模拟结果研究了层板服役过程的温度及等效应力变化规律，并将多个模型之间不同残余应力下服役状态进行对比分析，最后利用Morrow修正的Coffin-Manson方程对焊缝后续服役寿命进行评估。研究结果表明，焊接残余应力的存在大幅降低了层板结构焊缝区域热疲劳寿命，通过残余应力调控技术可有效改善焊缝区域服役过程中的应力幅或平均应力，使其分别下降70%与25%，焊接残余应力调控对提高层板结构热疲劳寿命具有重要意义。
关键词：层板结构；
残余应力；
热应力；
疲劳寿命
中图分类号：TG156
DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.06.015
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Study on Influence Rules of Residual Stress on Thermal Fatigue Life of
GH3230 Laminate Welds
DONG Zhibo1 LI Chengkun1 WANG Chengcheng1 HAN Fang1 ZHANG Zhihang1
TENG Junfei2 LYU Yanlong2
1.National Key Laboratory of Precision Welding & Joining of Materials and Structures，
Harbin Institute of Technology，Harbin，150001
2.AVIC Manufacturing Technology Institute，Beijing，100024
Abstract：
In order to investigate the influences of residual stress on the service life of weld seams of laminate cooling structures， first of all， finite element simulation and experimental verification were carried out on the laser welding processes of GH3230 laminate under conventional conditions. Then corresponding regulated approaches including pre-stretching and thermotensile et al. were simulated and analyzed. Afterwards， the evolutions of temperature and equivalent stress during service periods with and without residual stress were studied respectively. The service life was later evaluated using Coffin-Manson model modified by Morrow. The results demonstrate the thermal fatigue life caused by residual stress is significantly decreased. Furthermore， the stress amplitude and the mean stress while servicing， which decreasing 70% and 25% respectively， are effectively improved using regulating approaches mentioned above. Regulating welding residual stress is of vital importance for improving the thermal fatigue life of laminate structures.
Key words：
laminated structure; residual stress; thermal stress; fatigue life
收稿日期：20231018
基金项目：航空发动机及燃气轮机重大专项（J2019-Ⅶ-0012-0152）
0 引言
GH3230为Ni-Cr基固溶强化变形高温合金，具有较高的高温强度、优异的抗氧化性与热稳定性，工作温度可达1050 ℃。同时该合金具有良好的焊接性，常用于制造先进航空航天发动机的热端部件［1-3］。此类热端部件在复杂热载荷作用下承受不均匀热应力，极易产生疲劳损伤失效行为［4］。同时焊接残余应力、塑性变形的存在导致构件热疲劳寿命缩短，使结构热应力分析更加复杂。
针对复杂热载荷下工件热疲劳寿命的评估，国内外学者开展了大量研究工作。TUNTHAWIROON等［5］对铝合金压铸模在不同温度和机械应变下的热疲劳行为进行研究，讨论了温度和机械应变对热疲劳寿命的影响。张仕朝等［6］通过GH3030的低周疲劳试验，应用Coffin-Manson公式，探究了不同应变比下的应变寿命。李锦娟等［7］探究了三种温度下应变比为1时的应变疲劳行为，运用Coffin-Manson模型和含有疲劳极限的应变疲劳公式，拟合了应变寿命关系曲线并进行了对比评价。蔡显杰等［8］建立了压铸模镶块在压铸过程的热力耦合数值分析模型，将材料参数和仿真结果代入经典低周疲劳寿命预测Coffin-Manson模型中，对其热疲劳寿命进行了预测。
焊接接头往往是焊接结构中最危险的部位，而目前国内外研究中，针对工件焊接接头热疲劳寿命评估的研究较少。本文所涉及的层板冷却结构在双层壁内存在大量冷却通道，在具有高冷却效率的同时导致了温度场分布不均，在焊缝区域引发不均匀的热应力，并与焊接残余应力场互相影响，虽然预拉伸、温差拉伸等应力调控方法可以显著降低焊后残余应力峰值，改变残余应力分布模式，但对焊接接头热疲劳寿命的影响尚不明确，未见相关研究报道。
本文利用有限元数值模拟方法在MSC.Marc软件中建立典型的层板密排阵列孔柱结构常规激光焊模型，并在此基础上分析预拉伸、温差拉伸对焊接温度和应力场分布规律的影响。最后分别模拟了不同应力调控方法的焊后服役过程，在局部应力应变法的理论框架下应用Morrow修正的Coffin-Manson公式对该结构不同焊接调控方法处理后的焊缝热疲劳寿命进行了评估。
1 层板激光焊及服役过程模拟
1.1 GH3230层板有限元模型
图1为现有的典型层板结构示例，本文依据这类结构形式建立了GH3230 层板有限元模型，如图2所示。有限元模型尺寸为140 mm×110 mm×2.1 mm，由八节点六面体单元组成，焊缝处采用过渡网格，最密集处焊缝单元格尺寸为0.2 mm，最终模型的单元数为38 656，节点数为58 951。
1.2 材料特性
GH3230合金材料密度为8.9 g/cm3，熔化温度为1310 ℃。本文进行模拟计算所需要的合金热物性参数如图3所示，计算过程涉及图中所示温度范围以外的数据均采用线性外推法获得［9］。
1.3 激光焊及应力调控过程模拟
GH3230 层板焊接方法采用激光焊，光斑直径为0.3 mm，激光功率为2300 W，焊接速度为30 mm/s。模拟过程中焊接热源模型采用高斯表面热源与圆柱体热源模型相叠加［9］，其中高斯面热源曲面半径为1.6 mm，旋转体热源半径为1 mm，深度为2 mm。图1所示模型中所有与外界环境接触的表面（包括内部孔道）设置了换热边界条件，层板初始温度与外界环境温度设置为25 ℃。
激光焊模拟过程中未考虑熔池上下表面的变形和熔池金属的蒸发，焊接前对图2中框选区域范围内的所有节点施加x、y、z三个方向的位移约束，焊接结束冷却完成后卸载。在预拉伸模型中，施加位移约束前对图2所示①区域单元面施加70%材料常温屈服强度的拉应力，在焊接结束冷却完成后，先卸掉拉力，后去除位移约束。在温差拉伸模型中，对图2所示①区域下方施加外界环境为200 ℃的强换热条件，在两块①区域之间的下表面施加40 ℃的强换热条件，模拟温差拉伸时的实际工况。
1.4 服役过程模拟
对于层板实际服役所受的复杂载荷，在服役过程模拟中依据文献［10］采用图4所示的载荷谱，服役过程中最高外界环境温度为1100 ℃，最低环境温度为130 ℃。同时模拟燃气气压，在层板上表面施加500 kPa的均布压力。
在研究焊接残余应力对热疲劳寿命的影响时，将激光焊模拟的应力、应变与型面变形结果作为服役的初始条件导入模型。为了保证模型计算结果收敛，在焊缝背面一侧部分节点施加z向的位移固定约束。
2 模拟结果分析与讨论
2.1 激光焊及服役过程模拟结果分析
开展与有限元模拟相同尺寸板材的激光焊接实验，同时采用K型热电偶记录图2中②点的焊接过程热循环曲线，模拟结果与实测结果对比如图5所示。按照AESM E837-20采用盲孔法对试验件进行了焊接残余应力测量，测点分布、测量结果与模拟结果对比如图6所示。图6测量编号1，3，5，7分别代表a、b、c、d四点的纵向应力测量结果，测量编号2，4，6，8分别代表a、b、c、d四点的横向应力测量结果。热循环曲线与应力场的试验测量结果验证了本研究构建的有限元模型的有效性，为后续分析的准确性提供了保障。应力测量结果的误差主要由测量过程中打孔深度偏差、钻孔对中度偏差、应变片测量精度误差、模拟中相变考虑缺失等因素导致［11］。
图7分析了三种焊接过程焊后焊缝中心的等效米塞斯应力。由结果可知，温差拉伸、预拉伸可大幅降低焊缝中心区域的焊接残余应力。温差拉伸对应力的减小效果相对于预拉伸对应力的减小效果更加均匀。由于预拉伸施加的拉力在焊缝两侧且拉力范围较宽，在焊缝两端处力线分布较少，预拉伸的作用效果下降，导致焊缝两端应力分布较为复杂。
2.2 服役过程模拟结果分析
图8表征了GH3230层板服役过程不同时刻温度场差异。图8a的时间和外界环境温度对应图4中A时刻，图8b对应图4中B时刻，焊接路径方向由图2中P1点指向P2点。图9则表征了焊缝整体温度随时间变化。由结果可知，
层板结构孔道区域具有较强的换热能力，在高温阶段具有比焊缝区域更高的温度，在低温阶段温度反而更低。层板结构焊缝区域受热均匀，各个位置没有明显的温度差异，说明孔道区域在服役过程中与其他区域的温差并未影响焊缝。
为了探究焊接残余应力对层板服役寿命的影响，假设层板中部区域无焊缝，且为一个整体，对其服役过程中焊缝区域等效应力变化规律进行分析，如图10所示。其中焊缝边缘对应图2中P1区域，距离焊缝端部5 mm;焊缝近边缘对应图2中P2区域，距离端部40 mm;焊缝中心对应图2中P3区域。层板结构在服役状态下，因整体温度分布不均，导致焊缝区域出现不均匀热应力，表现为中心热应力幅值大，两端热应力幅值小，端部存在最大值。由于模型未焊接，因此焊缝中心初始应力为0，
在服役初始阶段，焊缝中心的热应力峰值最大，接近330 MPa，100 s后热应力循环趋于稳定。
以焊缝中心点为例，模拟不同应力调控方法焊接后的服役过程，分析焊接残余应力对服役过程热应力循环的影响，结果如图11所示。在进入稳定循环后，应力峰值均出现在焊缝与孔道区域温差最高点。在未焊接时，低温阶段温差最高时应力最大，随着温度升高，孔道区域温度迅速升高，达到与焊缝区域相近的温度水平后，整个板材温度场变得均匀，因不均匀温度场导致的热应力迅速降低。随后，孔道温度继续升高，产生不均匀的温度场，导致焊缝区域应力再次增大，并在升温阶段温差的最高点达到第二峰值。温度降低后，在均匀的温度场下再次出现最低应力。未焊接试件在稳定服役过程中焊缝中心最大应力为93 MPa，最小应力为2 MPa，应力幅的平均值为45 MPa。
焊接导致服役过程中的应力循环数值发生变化，基本规律依然相同。在焊缝温度与孔道温度的温差最大点依然会出现应力峰值，但最大应力点出现在高温阶段，在低温阶段的应力峰值很小。同时可知焊接会导致服役过程中的热应力大幅升高，应力幅平均值提高至147 MPa，预拉伸、温差拉伸能够一定程度上减小服役应力，应力幅平均值分别为144 MPa、110 MPa。预拉伸使得服役过程应力变化幅度减小，温差拉伸虽然降低了应力幅的平均值，但其应力变化幅度较大，预期会对疲劳寿命造成不利影响。
3 层板结构焊缝区域服役寿命估算
3.1 疲劳寿命估算方法
以Coffin-Manson公式为基础的局部应力应变法被广泛应用于工件热疲劳寿命分析［12］。在应力比为-1时，弹性应变幅与疲劳寿命的关系可表示为
εea=Δεe2=σaE=σ′fE（2Nf）b（1）
式中，2Nf为疲劳寿命；
E为弹性模量；
εea为弹性应变幅；
Δεe为弹性应变范围；
σa为应力范围；
σ′f为疲劳强度系数；
b为疲劳强度指数。
塑性应变幅与疲劳寿命的关系可表示为
εpa=Δεp2=ε′f（2Nf）c（2）
式中，εpa为塑性应变幅；
Δεp为塑性应变范围；
ε′f为疲劳韧性系数；
c为疲劳韧性指数。
总应变幅εa为弹性应变幅与塑性应变幅之和，即Coffin-Manson公式［13］：
εa=εea+εpa=σ′fE（2Nf）b+ε′f（2Nf）c（3）
对于非对称的应变循环，上述公式应进行平均应力修正，即
εa=σ′f－σmE（2Nf）b+ε′f（2Nf）c（4）
式中，σm为平均应力。
通过带有平均应力修正的Coffin-Manson公式可以估算此类层板热疲劳寿命，并分析焊接残余应力对寿命带来的影响。
3.2 焊缝中心热疲劳寿命评估
GH3230的疲劳性能参数［14］如表1所示，通过数值模拟方法获得服役过程的总应变幅值和应力幅值后，代入式（4）计算即可获得疲劳寿命。
在计算寿命时取所选位置的五个节点数据进行平均，最终计算结果如表2所示。结合计算结果可知，焊接会大幅降低疲劳寿命，预计服役寿命仅为未焊接时服役寿命的17%，温差拉伸对疲劳寿命的改善效果不明显，而预拉伸对疲劳寿命的改善效果较好，使焊后疲劳寿命提高约1.4倍。温差拉伸虽然能够降低服役过程中的应力平均值，但应力幅依然较大，对疲劳寿命造成不利影响。预拉伸虽然对服役过程应力均值影响较小，但可大幅改善应力幅，进而改善疲劳寿命［15-16］。
4 结论
（1）服役过程层板特殊结构引发不均匀温度场，由此带来的热应力是结构失效的重要原因。孔道区域与焊缝区域温差与焊缝区域热应力数值正相关。
（2）焊接残余应力会大幅降低层板结构热疲劳寿命。焊后服役的应力均值相比于未焊接提高了约1.4倍。
（3）预拉伸、温差拉伸等方法均可改善焊接对服役过程带来的影响。温差拉伸能够降低服役过程25%的应力均值，但对应力幅改善效果差，因此预拉伸对疲劳寿命的改善效果更好。
参考文献：
［1］ 杜金辉， 赵光普， 邓群， 等. 中国变形高温合金研制进展［J］. 航空材料学报， 2016， 36（3）：27-39.
DU Jinhui， ZHAO Guangpu， DENG Qun， et al. Development of Wrought Superalloys in China［J］. Journal of Aeronautical Materials， 2016， 36（3）：27-39.
［2］ 张冬旭， 温志勋， 岳珠峰. GH3230高温合金热变形行为及本构模型研究［J］. 稀有金属， 2014， 38（6）：986-992.
ZHANG Dongxu， WEN Zhixun， YUE Zhufeng. Study on Hot Deformation Behavior and Constitutive Model of GH3230 Superalloy［J］. Rare metals， 2014， 38（6）：986-992.
［3］ 高亚伟， 董建新， 姚志浩， 等. GH5188高温合金组织特征及冷热加工过程组织演变［J］. 稀有金属材料与工程， 2017， 46（10）：2922-2928.
GAO Yawei， DONG Jianxin， YAO Zhihao， et al. Microstructure Characteristics and Microstructure Evolution during Cold and Hot Working of GH5188 Superalloy［J］. Rare Metal Materials and Engineering， 2017， 46（10）：2922-2928.
［4］ 吴向宇， 黎旭， 时艳， 等. 典型层板冷却结构热疲劳破坏特性研究［J］. 航空动力学报， 2014， 29（5）：1177-1183.
WU Xiangyu， LI Xu， SHI Yan， et al. Study on Thermal Fatigue Failure Characteristics of Typical Laminate Cooling Structures［J］. Journal of Aerodynamics， 2014， 29（5）：1177-1183
［5］ TUNTHAWIROON P， LI Y， KOIZUMI Y， et al. Strain-Controlled ISO—Thermal Fatigue Behavior of Co-29Cr-6Mo Used for Tooling Materials in Al Die Casting［J］. Materials Science and Engineering：A， 2017， 703：27-36.
［6］ 张仕朝， 于慧臣， 李影. 不同应变比下GH3030合金的高温低周疲劳行为［J］. 机械工程材料， 2014， 38（1）：56-59.
ZHANG Shichao， YU Huichen， LI Ying. High Temperature Low Cycle Fatigue Behavior of GH3030 Alloy at Different Strain Ratios［J］. Mechanical Engineering Materials， 2014， 38（1）：56-59.
［7］ 李锦娟， 王泓， 张建国. GH3030合金高温应变疲劳行为分析［J］. 热加工工艺， 2011， 40（18）：44-47.
LI Jinjuan， WANG Hong， ZHANG Jianguo. High Temperature Strain Fatigue Behavior Analysis of GH3030 Alloy［J］. Hot Working Process， 2011， 40（18）：44-47.
［8］ 蔡显杰， 吴博雅， 左鹏鹏， 等. 压铸模镶块的热疲劳失效行为［J］. 金属热处理， 2022， 47（2）：250-257.
CAI Xianjie， WU Boya， ZUO Pengpeng， et al. Thermal Fatigue Failure Behavior of Die Casting Die Inserts［J］. Metal Heat Treatment， 2022， 47（2）：250-257.
［9］ 唐文书， 肖俊峰， 高松， 等. Nimonic263合金薄板激光焊热源模型及参数研究［J］. 热加工工艺， 2019， 48（19）：131-136.
TANG Wenshu， XIAO Junfeng， GAO Song， et al. Study on Heat Source Model and Parameters of Laser Welding Nimonic263 Alloy Sheet［J］. Hot working process， 2019， 48（19）：131-136.
［10］ 孙坤， 王洪斌， 张树林， 等. 基于热响应的陶瓷基复合材料火焰筒热冲击试验［J］. 航空发动机， 2021， 47（3）：86-90.
SUN Kun， WANG Hongbin， ZHANG Shulin， et al. Thermal Shock Test of Ceramic Matrix Composite Flame Tube Based on Thermal Response［J］. Aeroengine， 2021， 47（3）：86-90.
［11］ 骆文泽， 成慧梅， 刘红艳.高强钢Q960E对接接头残余应力与焊接变形的数值模拟［J］. 中国机械工程， 2023， 34（17）：2095-2105.
LUO Wenze， CHENG Huimei， LIU Hongyan. Numerical Simulation of Residual Stress and Welding Deformation in High-strength Steel Q960E Butt Joints［J］. China Mechanical Engineering， 2023， 34（17）：2095-2105.
［12］ TONG L W， HUANG X W， ZHOU F， et al. Experimental and Numerical Investigations on Extremely-low-cycle Fatigue Fracture Behavior of Steel Welded joints［J］. Journal of Constructional Steel Research， 2016， 119：98-112.
［13］ 童第华， 陈志伟. 局部应变法预测飞机结构带孔部件疲劳寿命［J］. 航空材料学报， 2011， 31（5）：86-90.
TONG Dihua， CHEN Zhiwei. Prediction of Fatigue Life of Perforated Components of Aircraft Structures by Local Strain Method［J］. Journal of Aeronautical Materials， 2011， 31（5）：86-90.
［14］ 王伟， 吕春堂， 刘兵， 等. Haynes 230镍基超合金高温低周疲劳寿命预测［J］. 压力容器， 2018， 35（5）：22-27.
WANG Wei，LYU Chuntang，LIU Bing. Prediction of High Temperature Low Cycle Fatigue Life of Haynes 230 Nickel-base Superalloy［J］. Pressure Vessel Technology， 2018， 35（5）：22-27.
［15］ 吴英龙， 宣海军， 单晓明. 离心轮内部疲劳裂纹扩展及其无损定量表征［J］. 中国机械工程， 2021， 32（6）：658-665.
WU Yinglong， XUAN Haijun， SHAN Xiaoming. Internal Fatigue Crack Propagation and Non-destructive Quantitative Characterization of Centrifugal Wheels［J］. China Mechanical Engineering， 2021， 32（6）：658-665.
［16］ 曹蕾蕾， 康凡军， 郭城臣. 变速箱中间轴焊接结构多轴疲劳寿命分析方法［J］. 中国机械工程， 2023， 34（13）：1605-1610.
CAO Leilei， KANG Fanjun， GUO Chengchen. Multi Axis Fatigue Life Analysis Method for Welded Structure of Gearbox Intermediate Shaft［J］. China Mechanical Engineering， 2023， 34（13）：1605-1610.
（编辑 王艳丽）
作者简介：
董志波（通信作者），男，1975年生，教授、博士研究生导师。研究方向为焊接结构力学及可靠性评价。E-mail：dongzhb@hit.edu.cn。
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