考慮相變的高強鋼T型接頭焊接殘余應力和變形的數(shù)值模擬

廖 娟，凌澤民，張永龍

（重慶大學材料科學與工程學院，重慶400044）

0 引 言

低合金高強鋼具有優(yōu)異的綜合性能且價格低廉，多用于重要的焊接結(jié)構(gòu)，在石油工程、火力發(fā)電、工程機械等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。由于低合金高強鋼在焊接過程中會發(fā)生固態(tài)組織轉(zhuǎn)變，將明顯改變焊接結(jié)構(gòu)的應力應變及變形情況［1］，從而影響結(jié)構(gòu)使用壽命的評定。

目前，針對鋼焊接結(jié)構(gòu)的有限元模擬，國內(nèi)外學者已做過很多研究。陸?zhàn)?］等采用考慮組織轉(zhuǎn)變的溫度－組織－應力耦合的方法計算了焊接殘余應力；Lee等［3－4］研究了高強鋼相變對環(huán)焊縫和厚板多道焊對接焊縫殘余應力的影響。精確的預測和降低焊接殘余應力與變形對于提高焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量有重要意義。為了能精確預測殘余焊接應力和變形，低合金高強鋼焊接時必須考慮材料的相變［5］，而有關(guān)這方面的研究報道并不多。

為此，作者建立了高強鋼T型接頭多道焊的熱－冶金－力學三維耦合計算模型，運用焊接專業(yè)有限元軟件SYSWELD計算并分析了其焊接溫度場和焊后殘余應力與變形；同時，采用熱力學模型研究了相變對焊接變形的影響。希望能為低合金高強鋼T型接頭多道焊焊接溫度場、應力和變形分析提供理論依據(jù)，促進有限元分析技術(shù)在實際焊接中的應用。

1 焊接過程物理模型的建立

1.1 三維有限元模型

為了準確預測焊接溫度場和應力場，采用三維實體計算模型。T型接頭翼板和腹板模型尺寸均為200mm×120mm×10mm，模型的網(wǎng)格劃分見圖1，模型的節(jié)點數(shù)為30 906，單元數(shù)為39 618。

1.2 熱源模型

對接頭采用單面多道焊接，且熱源移動方向為y軸方向。熱源采用SYSWELD軟件所配備的雙橢球體熱源模型，該體積熱源由y軸前后兩個部分組成。

沿y軸前半部分和后半部分的橢球內(nèi)部熱流密度分布函數(shù)表達式如式（1）和（2）所示。

式中：ar，af，b、ch為熱源 形 狀 參 數(shù)；Q 為 有 效熱 輸入；ff，fr為熱流密度在y軸前后兩個部分的分配系數(shù)，ff＋fr＝2；x、y、z為模型上任意一點坐標；t為焊接時間。

1.3 固態(tài)相變

金屬在焊接快速加熱及冷卻過程中，當超過相變點時會發(fā)生固態(tài)相變。尤其是在快速冷卻過程中。鋼中的馬氏體轉(zhuǎn)變會導致焊縫金屬體積和屈服強度改變。

假設(shè)鋼的顯微組織為珠光體和鐵素體，在焊接加熱過程中，當珠光體和鐵素體鋼的溫度超過AC1時，其組織開始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；當溫度達到AC3時，珠光體和鐵素體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。珠光體和鐵素體為體心立方結(jié)構(gòu)，而奧氏體為面心立方結(jié)構(gòu)，在奧氏體轉(zhuǎn)變過程中，鋼體積減小。當鋼加熱到一定溫度后快速冷卻，奧氏體又開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，體積增加。因此在多道焊過程中，如果先焊的焊縫再次被加熱到相變溫度，這部分焊縫會再次發(fā)生相變。Leblond［6－9］等計算了低合金鋼焊接過程中的相變（擴散相變）過程，Koistinen等［10］模擬了馬氏體轉(zhuǎn)變過程。

作者模擬所采用的材料為低合金高強鋼Q345D，其化學成分如表1所示。在焊接模擬過程中，定義鐵素體為相1，貝氏體為相2，馬氏體為相3，奧氏體為相6。假定焊縫金屬與母材金屬具有相同的熱物理性能和力學性能。SYSWELD軟件可以結(jié)合CCT曲線在焊接模擬過程中考慮相變因素，圖2為SYSWELD材料數(shù)據(jù)庫中Q345D連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。

表1 Q345D鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 Chemical compositions of Q345Dsteel（mass）%

1.4 力學模型

在焊接過程中，溫度場隨時間的變化會引起熱應變和相變應變。假定材料遵循各向同性硬化性能的彈塑性準則（von Mises塑性模型）。則總應變ε可表示為：

式中：εE、εP、εT、εΔV、εTrp分別為彈性應變、塑性應變、熱應變、相變應變和相變塑性引起的塑性應變。

在數(shù)值模擬中，采用增量有限元分析法，式（3）可表示為

式中：ΔεE為運用胡克定律，用彈性模量和泊松比表示的應變改變；ΔεT為用熱膨脹系數(shù)計算的應變改變；von Mises屈服準則（各向同性）和硬化規(guī)律聯(lián)合用于ΔεP，ΔεΔV為相變導致的體積改變所引起的應變改變。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 焊接溫度場

圖3為接頭各道焊縫溫度場云圖。此時，焊接電壓為20V，焊接電流為220A，焊接速度為10mm·min－1。由圖可知，熔池溫度最高，為1 819℃，溫度達到1 500℃的為熔化區(qū)。第一、二、三道焊縫的熔池形狀分別如圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）所示。

圖4為節(jié)點A、B、C位置處的熱循環(huán)分布曲線。其中，節(jié)點A位于第一道焊縫，節(jié)點B位于第二道焊縫，節(jié)點C位于第三道焊縫。由圖4可以看出，A、B、C三節(jié)點處的峰值溫度達到1 800℃；節(jié)點A處發(fā)生了三次加熱－冷卻循環(huán)過程，即當焊接后續(xù)焊道時，第一焊道尚未完全冷卻，且每一個熱循環(huán)的峰值溫度均不同。如果后續(xù)加熱－冷卻循環(huán)過程中的溫度峰值超出其奧氏體化溫度AC3，焊縫會再次發(fā)生相變過程。產(chǎn)生的馬氏體組織將被其后續(xù)焊道退火，退火后的馬氏體硬度下降，使其強化行為變得更為有利。但是，冷裂紋也可能在后一道焊接之前的短暫時間間隙內(nèi)產(chǎn)生。如對焊接參數(shù)和焊縫長度做相應的調(diào)整，將第一焊道的冷卻溫度保持在馬氏體生成溫度以上，且隨多道焊接的完成相對緩慢的下降，這有利于產(chǎn)生貝氏體組織以替代馬氏體。因此，在多道焊接過程中，可通過不同工藝參數(shù)條件下的熱循環(huán)曲線，選擇其最優(yōu)工藝參數(shù)。

2.2 焊接殘余應力

圖5為T型接頭在翼板上表面中心處的縱向和橫向殘余應力分布模擬結(jié)果，其中σx為橫向殘余應力，σy為縱向殘余應力。采用Sigmar ASM1.0型全自動應力、應變監(jiān)測儀對其進行測試，由圖5可見，試驗值與模擬值基本吻合，證明了模擬結(jié)果的準確性。

由圖5模擬結(jié)果還可以看出，由于焊接是局部加熱－冷卻過程，σy的分布特征是焊縫及近縫區(qū)為拉應力，遠離焊縫區(qū)域為壓應力；在焊縫中心，由于奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時發(fā)生了體積的增加，導致了該區(qū)域的應力較小；焊縫中心到熱影響區(qū)應力逐漸增加，這是由于熱影響區(qū)到母材區(qū)域，溫度未達到相變溫度，該處未發(fā)生相變，無體積改變來抵消一部分收縮應變。

而σx幾乎都為拉應力，且焊縫中心到熱影響區(qū)應力逐漸增加，遠離焊縫區(qū)應力逐漸減小并趨近為零。σx產(chǎn)生的原因比較復雜。直接原因是焊縫冷卻的橫向收縮；間接原因是焊縫的縱向收縮，表面和內(nèi)部不同的冷卻過程以及疊加的相變過程共同作用的結(jié)果。縱向和橫向殘余應力分布的模擬值和試驗值一致。

2.3 焊接變形

對于T型接頭，焊接時的快速加熱過程中，翼板厚度方向（z軸）上的溫度分布不均勻，使得翼板的上表面焊縫處受熱發(fā)生膨脹，下表面膨脹小甚至不膨脹。從而造成焊接面膨脹受阻，產(chǎn)生較大的橫向壓縮塑性變形。因此，焊后冷卻時就會在焊縫厚度方向上出現(xiàn)收縮不均勻的現(xiàn)象，并導致角變形的產(chǎn)生，而角變形的大小可以用翼板邊緣厚度方向的位移來反映。

由圖6可見，在考慮相變情況下，最大變形為0.32mm；在不考慮相變的情況下，最大變形為0.39mm；由模擬結(jié)果對比可知，兩種情況下的變形基本一致，模擬結(jié)果僅相差0.07mm，最大變形處均為翼板有焊縫一邊的邊緣中間。

3 結(jié) 論

（1）建立了高強鋼T型接頭的熱－冶金－力學耦合的三維模型，并在考慮了相變的情況下，實現(xiàn)了其多道焊焊接溫度場模擬，并得出根據(jù)熱循環(huán)曲線選擇多道焊最優(yōu)工藝參數(shù)的方法。

（2）在考慮相變情況下，高強鋼T型接頭多道焊的應力分布結(jié)果表明焊縫及近縫區(qū)為縱向拉應力和橫向拉應力，遠離焊縫中心為縱向壓應力和橫向拉應力，且焊縫中心由于相變導致體積增大，應力略小于近縫區(qū)的；模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，證明了模擬結(jié)果的準確性。

（3）在考慮相變與不考慮相變兩種情況下，T型接頭多道焊變形對比結(jié)果表明，相變對焊接變形的影響不明顯。

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