316L/Q235異種鋼焊接溫度場數值模擬

尹文鋒，黃本生

（1.西南石油大學 工程訓練中心，四川 成都 610500；2.西南石油大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610500）

0 前言

316L不銹鋼是一種超低碳奧氏體不銹鋼，大量應用于防腐、防銹設備。但不銹鋼的價格偏高，往往采用不銹鋼和碳鋼的異鋼種焊接，以提高經濟效益[1-2]。Q235為珠光體碳素結構鋼，綜合性能較好，價格便宜，應用廣泛。316L不銹鋼與Q235碳鋼的異種鋼焊接在設計制造中經常被采用。但異種鋼的化學成分、物理性能存在較大差異，給焊接工藝制定帶來了困難[3]。因此，分析316L/Q235異種鋼焊接過程指導焊接工藝設計具有重要意義。隨著計算機技術的發展，焊接過程數值模擬為焊接過程分析、焊接工藝優化提供了新途徑[4]。焊接溫度場對焊縫及熱影響區組織成分有很大影響，并且焊接溫度場是進行焊接殘余應力和焊接變形預測、評定焊接工藝合理性的重要依據[5]。

在此運用Ansys軟件對316L/Q235異種鋼平板對接焊的動態溫度場進行數值模擬。分析了316L/Q235異種鋼平板對接焊的動態焊接過程，探討了焊接溫度場的分布特點及焊接熱循環規律。

1 焊接溫度場模擬

1.1 材料參數與焊接工藝

母材為316L不銹鋼和Q235碳鋼，焊接溫度場數值模擬需要的材料參數有：導熱系數、密度、比熱容、對流換熱系數，它們與溫度成非線性關系，需要在Ansys軟件中建立在某些已知溫度下的材料參數表，通過插值法和外推法確定未知溫度下的參數值[6]。

模擬采用焊條電弧焊焊接溫度場。試件尺寸為100 mm×50 mm×8 mm，平板對接焊，開 V形坡口，坡口角度70°，焊縫采用兩道焊，第1道焊后冷卻時間90 s，第2道焊后冷卻時間240 s。焊接電流150～180 A，電弧電壓 25～30 V，焊接速度 3 mm/s。

1.2 有限元模型

由于焊接熱循環過程快速且不均勻，焊縫附近的溫度梯度很大，需采用較細密的網格，遠離焊縫的地方，溫度梯度較小，可采用較稀疏的網格，既可以保證計算精度，又可以提高運算速度。熱分析選擇三維熱實體單元solid70，它可用于三維穩態和瞬態熱分析[7]。考慮到空氣對流對焊接溫度場的影響，在焊件表面創建熱表面效應單元surf152，并將熱對流邊界條件則施加在表面效應單元上。焊件劃分網格后如圖1所示。

圖1 焊件有限元網格模型Fig.1 Finite element mesh model of weldment

1.3 熱源模型和加載計算

實踐證明，對于焊條電弧焊，采用高斯熱源模型可以得到比較滿意的模擬結果。選用單元內部生熱的熱源模式[8]。

焊接母材初始溫度為25℃，在焊件模型外表面通過表面效應單元施加對流邊界條件。為模擬熱源的移動，可將施加熱載荷的過程按時間分為n個載荷步，再將焊縫沿焊接方向等分為n段，在每個時間段施加對應的熱流密度，當下一段加載時，刪除前面所加的高斯熱流密度，以前面所得的溫度場作為下一次加載的初始條件。加載過程應用APDL編程實現[9]。焊后冷卻模擬將焊后溫度作為初始溫度，刪除焊接過程施加的高斯熱流密度，設定載荷步結束時間為冷卻時間進行求解。

2 結果分析

2.1 焊接溫度場

圖2為第1道焊剛開始時焊件的溫度分布云圖（t=2 s）。當焊接熱源作用在焊縫單元上時，熱源中心的溫度從室溫25℃升高到1664℃，達到焊材熔點，形成熔池。圖3為第1道焊結束時溫度分布云圖（t=31 s）。熱源中心溫度達到1976℃比開始焊接時高，這是因為前面的焊接過程存在預熱，與焊接熱源溫度的疊加。Q235的導熱系數大于316L，更利于熱量的傳導，Q235焊板溫度上升速度快于316L，Q235焊板溫度總體要高于316L。熱源中心前方的等溫線比較密集，溫度梯度較大；熱源后方的等溫線分布比較疏散，溫度梯度稍小。

圖2 t=2 s時焊件溫度分布Fig.2 Temperature distribution of weldment at t=2 s

圖3 t=31 s時焊件的溫度Fig.3 Temperature distribution of weldment at t=31 s

圖4為第1道焊結束后，焊件開始冷卻時，焊件的溫度分布云圖（t=36 s）。焊件高溫區域溫度梯度較大，溫度大幅降低；遠離焊縫區域溫度梯度較小，溫度緩慢上升。Q235溫度變化較316L更快，這是因為焊縫溫度明顯高于焊件及環境空氣溫度，焊接間的熱傳導較焊件與空氣間的熱對流占優勢，因此，熱傳導系數較大的Q235焊板溫度更容易升高。圖5為第1道焊冷卻約70 s后焊件的溫度分布云圖（t=117 s）。焊件最高溫出現在第1道焊焊縫的末端及中間區域，其原因是焊縫末端在第1道焊接完成后溫度最高，且其冷卻時間比焊縫其他區域短。焊縫中間區域由于受到長時間熱源作用使該區域周圍溫度升高，溫度梯度較小，降溫過程也相對緩慢。經過一段時間的冷卻，由于焊件間的熱傳導，以及與空氣存在對流散熱，焊接各部分的溫度趨于均勻。

圖4 t=36 s時焊件溫度分布Fig.4 Temperature distribution of weldment at t=36 s

圖5 t=117 s時焊件的溫度分布Fig.5 Temperature distribution of weldment at t=117 s

為保證兩道焊焊接溫度相差不大，第2道焊采用較低的焊接電流。圖6為第2道焊開始時焊件的溫度分布云圖（t=123 s）。焊板整體溫度高于279℃，說明第一道焊對焊件產生了預熱效果。焊接熱源中心溫度為1602℃高于焊材熔點，能夠形成熔池。圖7為第2道焊接過程中的焊件溫度分布云圖（t=138 s）。由于前面焊接過程的加熱，焊接熱源中心溫度升高2073℃。焊件最低溫度265℃，較第2道焊開始時的最低溫度279℃有所下降，這說明焊接過程中，焊件與空氣存在對流散熱，焊件的整體溫度場分布是焊接熱源加熱以及焊接表面散熱共同作用下的動態平衡。

圖6 t=123 s時焊件溫度分布Fig.6 Temperature distribution of weldment at t=123 s

圖7 t=138 s時焊件的溫度Fig.7 Temperature distribution of weldment at t=138 s

圖8為第2道焊后自然冷卻約210 s后的焊件溫度場分布云圖（t=378 s）。Q235焊板溫度整體低于316L，這是因為Q235與空氣的對流換熱系數比316L與空氣的對流換熱系數大，當沒有焊接熱源加熱，焊件與空氣的對流散熱就占主導地位，因此Q235焊板溫度就比316L降低得更快。

圖8 t=378 s時焊件溫度分布Fig.8 Temperature distribution of weldment at t=378 s

2.2 焊接熱循環曲線

為分析焊縫及其附近熱影響區的焊接熱循環，在焊件上選擇三條路徑，作出路徑上各節點的熱循環曲線。路徑布置如圖9所示。路徑1在316L焊板表面中央垂直于焊縫，各節點間距為10 mm。路徑2在焊板Q235表面平行于焊縫，距焊縫中央6 mm，各節點間距為15 mm。路徑3在兩塊焊板表面垂直于焊縫，各節點間距為20 mm。

圖9 路徑布置示意Fig.9 Path layout diagram

路徑1上節點在焊接過程中的熱循環曲線如圖10所示。焊接采用兩道焊，因此各點溫度均存在兩個峰值。當焊接熱源距離較遠時，各點溫度均為室溫；當熱源經過特征點所在路徑時，各點的溫度迅速上升，并且由于焊接加熱的局部性，越靠近焊縫中央其溫度上升越快，溫度值也更高。當熱源遠離該路徑后，各特征點溫度又迅速下降，并且溫度越高的點降溫越快。這是因為焊件各部分間存在熱傳導，并且溫度梯度很大，因此熱傳導及散熱迅速。冷卻階段，各點溫度變化趨勢基本相同，在開始冷卻時溫度下降較快，而后逐漸趨于穩定，下降減慢。

圖10 路徑1上各點熱循環曲線Fig.10 Thermal cycle curves of path 1

圖11 路徑2上各點熱循環曲線Fig.11 Thermal cycle curves of path 2

路徑3上各點在第1道焊接過程中的熱循環曲線如圖12所示。a1點位于焊縫中心，位于Q235焊板上的b3、d3點距焊縫中心的距離分別與位于316L焊板上的點c3、e3相同。由于距離焊縫中心較遠，熱量主要來自于焊縫處局部熱源的熱傳導，并且與空氣存在較大面積的對流散熱，b3、d3、c3、e3各點的溫度峰值遠低于焊縫中心最高溫度，并且各點的溫度變化不是很劇烈。位于Q235焊板上的b3、d3節點溫度在相同時刻均高于316L焊板上的節點c3、e3；并且在焊接加熱階段，Q235焊板上節點溫度要先于316L開始上升，這主要是因為Q235熱導率及與空氣的對流散熱系數均比316L大，利于熱量的傳遞，溫度變化更迅速。

路徑2上點在第1道焊接過程中的熱循環曲線如圖11所示。其溫度變化總趨勢與路徑1上各點相似。路徑2上各點的溫度峰值均在1250℃以下低于母材熔點，這是因為路徑2上各點均在焊縫之外，是通過熱傳導將熔池熱量傳遞給各點的，并且由于先焊熔池的預熱作用，后焊區域節點的峰值溫度略高于先焊區域節點的峰值溫度。由于路徑2上各點到焊縫中心距離相等，因此所經歷的熱循環過程變化規律基本相同，區別在于熔池加熱過程中各點溫度達到峰值的時間不同。

圖12 路徑3上各點熱循環曲線Fig.12 Thermal cycle curves of path 3

3 結論

（1）運用Ansys軟件模擬了316L/Q235異種鋼平板對接焊三維動態焊接過程，得到了不同時刻焊接溫度場分布及焊件上不同節點的熱循環曲線。

（2）焊接溫度場高溫中心隨焊接熱源勻速向前移動，熱源前方的溫度梯度較大；后方溫度梯度比較緩和。Q235鋼較316L鋼熱傳導系數及對流散熱系數大，更利于熱量傳導和流動，Q235鋼焊板在焊接和冷卻過程中的溫度變化也更迅速。

（3）節點距焊縫中央熱源越近，熱源加熱作用越強烈，溫度升高越迅速且峰值越高；與焊縫中心等距離節點的熱循環曲線特征相似，區別是溫度達到峰值的時間先后有所不同；由于焊接熱源預熱作用，不同道次間焊接溫度隨著道次的增加而上升。

[1]李光福，李冠軍，方可偉，等.異材焊接件A508/52M/316L在高溫水環境中的應力腐蝕破裂[J].金屬學報，2011，47（07）:797-803.

[2]Satyanarayanaa V V，Reddyb G M，Mohandas T.Dissimilar metal friction welding of austenitic-ferritic stainlesssteels[J].Journal of Materials Processing Technology,2005,160（2）:128-137.

[3]劉中青，劉 凱.異種金屬焊接技術指南[M].北京：機械工業出版社，2000：30-80.

[4]宮大猛，雷 毅.數值模擬在焊接中的應用分析[J].電焊機，2012，42（6）：58-62.

[5]劉 川，梁延德，鄧瑩瑩.超聲波塑料焊接溫度場有限元數值模擬[J].機械工程材料，2005，28（11）：14-16.

[6]陳 浩，高傳玉，曹 敏，等.薄板鎂合金激光焊接溫度場分布的模擬研究[J].熱加工工藝，2012，41（3）：154-159.

[7]遲露鑫，麻永林，邢淑清，等.壓力容器用鋼板焊接溫度場模擬與驗證[J].焊接學報，2012，33（5）：61-65.

[8]肖 馮，米彩盈.T型角接頭焊接熱源模型研究[J].電焊機，2010，40（6）：41-45.

[9]董學偉，黎向鋒，左敦穩，等.7022鋁合金攪拌摩擦焊接全過程溫度場的數值模擬[J].機械工程材料，2012，36（10）：92-96.