旋挖钻机钻杆键条焊接接头的残余应力
赵海燕1, 徐兴全1, 于兴哲2, 朱小武3
1. 清华大学 机械工程系, 北京 100084
2. 北京市三一重机有限公司, 北京 102206
3. 北京伊萨科技发展有限公司(ESI中国), 北京 100080

作者简介: 赵海燕(1970—), 男(汉), 河北, 教授。E-mail:hyzhao@tsinghua.edu.cn

摘要

钻杆是旋挖钻机的关键部件之一,也是易损部件,其损坏部位大多位于钻杆键条焊接接头处。该文采用SYSWELD软件对旋挖钻机钻杆键条接头的焊接过程进行了数值计算,并用X射线衍射法对实际钻杆键条焊接接头试样的残余应力进行了测量,得到了接头焊接完成后的残余应力分布。针对钻杆结构受力特点,着重分析了切向焊接残余应力的分布特征,并计算对比了焊接速度的影响。结果表明: 焊接接头最大残余拉应力出现在热影响区内;随焊接速度的增加,管体上切向最大压应力明显增大,最大拉应力变化不明显。

关键词: 残余应力; 旋挖钻机; 钻杆键条接头; 有限元模拟
中图分类号:TG404 文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2014)02-0191-06
Residual welding stresses in the pipe-bar joints of a rotary drilling rig
Haiyan ZHAO1, Xingquan XU1, Xingzhe YU2, Xiaowu ZHU3
1. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2. Beijing Sany Heavy Machinery Co., Ltd, Beijing 102206, China
3. ESI-Group (Beijing) Co., Ltd, Beijing 100080, China
Abstract

The drill rod is one of the most important components of a rotary drilling rig and it is highly stressed. The pipe-bar welded joints are most likely to be damaged. The welding of pipe-bar joints is simulated using the SYSWELD software to calculate the residual welding stresses for comparison with measured residual welding stresses by X-ray diffraction. The calculated results are in good agreement with the measured data. The welding speed is then changed to study its effect on the residual welding stresses. The results show that the maximum tensile stress exists at the heat affected zone. With the increase of welding speed, the maximum tangential compressive stress increases, but the maximum tensile stress has no significant change.

Keyword: residual stress; rotary drilling rig; pipe-bar joint; finite element simulation

旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械,凭借其优越的桩基施工性能在各大工程中得到广泛应用。旋挖钻机主要由钻头、动力头、钻杆、桅杆总成、主副卷扬、变幅装置、自行走履带底盘及电气控制系统等组成。其中,钻头、动力头、钻杆合称为钻进系统,钻进系统是旋挖钻机进行钻孔作业的关键部件[1,2,3,4,5]

旋挖钻机在工作过程中,钻杆通过内外键条的配合向下一级钻杆传递扭矩。在工作时,钻杆需要反复地正转和反转,以实现钻杆的钻进和提升。在这种工作方式下,钻杆需要承受由于周期性正反转而产生的交变载荷,同时还受到竖直方向上的摩擦作用,钻头钻进时还会产生震动。在这种恶劣的承载条件下,钻杆与键条的焊接接头处极容易产生破坏,造成巨大的经济损失[6]。对于焊接结构而言,残余应力及其分布是影响结构失效的重要原因,特别是在有交变载荷作用的情况下,残余应力的影响更加剧烈[6]

旋挖钻机的钻杆键条焊接接头中存在的残余拉应力,特别是与工作应力的方向相一致的环向残余拉应力,是造成钻杆键条焊接接头容易产生破坏的重要原因。因此,对钻杆键条焊接接头的残余应力分布进行研究,可以为分析钻杆键条接头的破坏原因提供一定的依据; 对不同生产工艺条件下残余应力分布进行研究,可以为生产工艺优化提供一定的指导。

1 钻杆组成结构

旋挖钻机钻杆一般采用多级组合的结构形式,通过将管径不同的钻管进行嵌套组装,来实现钻杆伸长和收缩的功能。相邻钻杆之间通过内键条和外键条实现转矩的传递,钻杆的结构形式如图1所示。钻杆的内键条和外键条都是通过焊接的方式与钻杆管体连接在一起,本文主要研究外键条焊接时残余应力的分布规律。

图1 旋挖钻机钻杆结构示意图

2 焊接参数

在制造过程中,钻杆外键条与管体之间的连接通过焊接机器人自动焊接完成,焊接方式为熔化极气体保护焊(GMAW), 保护气体为80% Ar+20% CO2, 焊丝牌号为ER50-6; 焊接过程中保护气体流量为20~25 L/min, 焊接电压为30 V, 焊接电流为300 A, 焊接速度为300 mm/min (5 mm/s)。

每根键条都通过两条焊缝与管体焊接在一起,如图2所示。实际生产过程是: 先焊好第一条焊缝,然后将管体转动一定角度再焊第二条焊缝,两条焊缝都是单道焊一次成形。本文在计算时认为焊缝1为先焊焊缝,焊缝2为后焊焊缝。

图2 钻杆键条焊接接头焊缝分布

3 有限元计算

早在20世纪70年代初期,日本学者就开始利用有限元计算的方法来分析焊接过程的应力应变问题[7]。截止到目前,国内外学者对焊接过程的数值分析技术和有限元计算方法进行了大量深入的研究,并取得了丰硕的成果[8,9,10,11,12,13,14]

焊接过程是一个复杂的热弹塑性过程,焊接过程的热弹塑性有限元计算一般包括两个步骤: 焊接温度场有限元计算和焊接应力场有限元计算。准确地计算出焊接过程中的温度场演变历史,是准确计算焊接过程应力场的前提之一。焊接过程的热应力计算是受多方面因素影响的热弹塑性问题的计算,比一般弹性或弹塑性问题要复杂得多。实际焊接过程中除了包含由于温度变化和高温引起的材料热物理性能的变化而导致传热过程严重的非线性外,还涉及到金属的熔化、凝固以及液固相传热等复杂现象。本文采用SYSWELD软件进行焊接残余应力的热弹塑性计算。

3.1 热源模型

本文在进行计算时选取双椭球热源模型,在以热源中心为原点的局部坐标系内,热源的热流分布为[15]:

热源前半部分:

q(x',y',z')=63ffQabc1ππexp(-3x'2/a2)·exp(-3z'2/b2)exp(-3y'2/c12).(1)

热源后半部分:

q(x',y',z')=63frQabc2ππexp(-3x'2/a2)exp(-3z'2/b2)·exp(-3y'2/c22).(2)

式中: a, b, c1, c2为热源形状参数; Q为焊接热源热输入功率; ff fr为模型前后部分的能量分配系数,且 ff +fr =2。

3.2 材料性能

根据钻杆管体、键条以及焊丝的实际牌号,在SYSWELD软件计算材料库中选取相应的材料进行模拟计算。选取材料的化学成分见表1, 各部分材料主要性能分别见表2-4。

表1 选取材料各化学成分的质量分数%
表2 键条材料的主要性能
表3 焊丝材料的主要性能
表4 管体材料的主要性能
3.3 计算模型

图3所示是计算对象的实物照片。图4是计算对象的3维几何模型,该模型对与焊接计算无关的部分进行了简化。

图4 钻杆键条接头3维几何模型

考虑到计算对象的结构特征,为缩短计算时间、提高计算效率,按照3维几何模型的横截面形状进行2维建模,采用平面应变模型进行计算。图5是2维模型及网格划分结果,模型共有6 425个节点, 5 916个2维单元。模型中钻杆管体外径为320 mm, 管壁厚为10 mm; 键条尺寸为40 mm×20 mm, 3根键条在管外壁均匀分布,通过角焊缝与管体焊接在一起,在键条与管体之间的空隙部分设置接触的边界条件,以保证建模的正确性。键条开有两个6 mm×6 mm坡口,如图6所示。

4 计算及分析
4.1 熔池形貌

熔池形貌是校核热源参数的简单且有效的方法。熔池形状的计算结果和焊缝横截面的试验结果的对比如图7所示。

图7 熔池形状的计算结果与实验结果的对比

图7中可以看出,熔化区和热影响区的计算结果都分别与实验所得的焊缝横截面的熔化区和热影响区大小相当、形状相似,这在一定程度上说明了所选取的热源模型和所建立的温度场数值分析模型的正确性。

4.2 应力场计算结果

应力是矢量,具有方向性,本文按照圆柱坐标系定义残余应力的方向,如图8所示。

图8 坐标系方向(残余应力)定义

按照图8定义的坐标系方向,钻杆横截面的各方向的焊接残余应力分布如图9所示(焊接速度为5 mm/s)。图9中,左侧焊缝为先焊焊缝(焊缝1), 右侧焊缝为后焊焊缝(焊缝2)。

图9 钻杆横截面焊接残余应力分布

图9中可以看出,热影响区的残余拉应力较大,超过了焊缝区域的残余应力,这是因为焊缝区产生马氏体(通过组织模拟结果可以看出焊缝处产生了马氏体组织), 马氏体低温体积膨胀抵消了部分或全部拉应力; 两焊缝之间键条与管体的接触部位存在较大的残余压应力,这是因为在焊后冷却过程中焊缝的冷缩作用导致管材与键条接触部位产生挤压,因而在接触部位产生压应力。

4.3 残余应力实验测量

为了验证焊接残余应力计算的有效性,利用X射线应力测试仪对钻杆试样管体表面周向距焊趾不同距离处的残余应力进行了测量,测量试样及测量点分布见图10。其中,图10a为采用国产X-350A型残余应力分析仪测量过程照片,图10b和10c分别为腐蚀前后测量点位置照片。图11是残余应力实验测量值与计算值的对比。

图11 轴向残余应力计算值与测量值对比

由于测试试样较大以及测量设备的局限性,试样放入测量设备的试样台后只能测量到轴向应力,因此在计算结果中提取了相同位置处的轴向应力与测量值进行对比。需要说明的是,进行焊接实验的管体和键条都进行了喷丸处理,根据西北工业大学黄韬和张铁虎对结构钢中喷丸残余应力的研究,结构钢中喷丸残余应力场深度在50 μm到150 μm之间[16]。为了便于与计算值进行对比,对测量点表面利用电解腐蚀的方法把表面腐蚀了约150 μm的深度,从而去除喷丸应力对焊接残余应力的影响,测得如图11所示的表面腐蚀后的数据点。从图11中可以看出,对试样表面进行腐蚀后,得到的残余应力测量值与计算值基本相等。

4.4 焊接速度对切向残余应力的影响

键条在工作时主要传递扭矩,在钻杆上产生切向应力,此切向应力即为钻杆的工作应力。钻杆工作时,切向残余应力与工作应力叠加在一起作用在接头上。若切向残余应力为较大的拉应力,与工作应力叠加后极易造成钻杆破坏,因此制造钻杆时要特别注意控制切向残余应力。

影响焊接残余应力的因素很多,其中焊接速度与生产效率密切相关,因此本文对焊接速度的影响进行了重点研究。分别将焊接速度从5 mm/s降到 3 mm/s 和升到7 mm/s, 计算了不同焊接速度下切向残余应力的分布,其分布曲线如图12所示。

图12 不同焊接速度下的切向残余应力分布曲线

图12中可以看出,不同焊接速度下切向残余应力分布规律基本一致,在焊缝内部都产生了一定的残余压应力,两条焊缝之间产生了较大的残余压应力,焊缝外侧则产生了残余拉应力,并且随着与焊缝距离的增加,此残余拉应力的数值先迅速增加,达到最大值后再缓慢减小。随着焊接速度的增加,两条焊缝之间残余压应力区的宽度及压应力的数值都在增大。焊缝外侧最大拉应力随焊接速度的增加略有增加,钛合金薄板弧焊时也有类似的规律[17]。焊缝外侧最大拉应力产生的部位与焊趾之间的距离随焊接速度的增加而减小。

5 结 论

本文利用有限元模拟的方法,对钻杆/键条焊接接头的残余应力进行了计算,并采用X射线衍射法对残余应力进行了测量,最后针对与工作应力方向一致的切向残余应力,研究了焊接速度对其分布规律的影响,得出了如下结论:

1) 钻杆键条焊接接头的最大残余拉应力出现在热影响区;

2) 在不考虑结构焊接之前初始应力(喷丸应力)的情况下,残余应力的计算值与测量值一致;

3) 改变焊接速度不影响切向焊接残余应力的总体分布规律,但随焊接速度的增加,管体上切向最大压应力明显增大,最大拉应力略有增加。

The authors have declared that no competing interests exist.

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