超高強鋼板多層多道焊溫度場有限元分析

翟紫陽，王克鴻

(南京理工大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210094)

0 前言

焊接采用的是瞬態加熱，從開始焊接到最終焊完冷卻，經歷了傳熱，金屬熔化與凝固，冷卻時的相變、應力變形等過程［1］。準確描述焊接熱過程是分析接頭組織變化、應力變形分布的基礎，計算機數值模擬技術的發展為焊接過程精確模擬提供了有利條件。

616裝甲鋼屬于高強度特種鋼，焊前熱處理狀態為調質或淬火+低溫回火，組織為低碳板條馬氏體與貝氏體，常溫下屈服強度大于1 400 MPa，焊接時易出現裂紋。特厚裝甲板多層多道次焊接過程中，工件經歷多次焊接熱循環，溫度場變化非常復雜，更易于出現焊接缺陷。針對裝甲車輛車頂炮塔焊接中出現的問題，基于Sysweld軟件模擬15 mm厚裝甲鋼板對接接頭溫度場，為后續應力應變場分析作基礎，并對計算結果進行分析。

1 焊接物理模型的建立

1.1 試驗材料與模擬工藝

焊接試驗母材為調質狀態的616裝甲鋼板，將兩塊尺寸為80 mm×50 mm×15 mm的板材沿長度方向進行脈沖MIG對接焊，試件開X型坡口，焊接規范參數采用現行的工藝，熱量輸入體現為有效熱功率選在2 400 W～3 800 W之間。裝甲鋼焊接易出現裂紋，采用奧氏體鋼進行焊接，試驗的母材616鋼及焊材SUS304不銹鋼焊絲化學成分如表1所示。

表1 化學成分%

1.2 溫度場計算模型

建立三維實體接頭模型，考慮到焊接受熱的瞬態性和不均勻性，焊縫附近會出現較大的溫度梯度，故采用較細密的網格，而遠離焊縫處，溫度梯度較低，采用較稀疏的網格，這種網格劃分法可降低模擬計算量，減少計算時間。最終建立的模型生成22 518個有效單元，24 055個節點，整體模型及接頭局部細節如圖1所示。

圖1 整體模型及接頭局部放大

為保證計算精確性，邊界熱交換條件設置為空冷，在Sysweld中通過調用C＆R LOSSES mm冷卻函數實現，環境初始溫度設為20℃。

1.3 材料物理性能參數

616鋼溫度場模擬所需要的熱物性參數如比熱容c、導熱系數κ、密度ρ都隨溫度變化而變化，具體變化趨勢如圖2所示［2］，工程設置前先建立616鋼材料參數文件并導入Sysweld材料庫中，通過軟件面板直接選擇熱性能參數，并結合板件物理模型綜合考慮計算精度和相變潛熱影響。

2 熱輸入模型

圖2 616鋼熱物理性能參數

準確描述熱量輸入是精確計算溫度場的重要因素，針對實驗工藝脈沖MIG焊接中電弧對熔池沖擊力很大，為處理好電弧挺度對焊接過程的影響，選用Goldak提出的體積分布熱源模型(雙橢球分布熱源函數［3］)來模擬本次熱源的熱輸入。熱源前半部數學模式:求解時以此數學關系模擬施焊時的熱量輸入。

熱源后半部數學模式:求解時以此數學關系模擬施焊時的熱量輸入。

式中 a，b，c，d為熱源形狀參數;Q為熱輸入功率;v為焊接速度;t為焊接時間;τ為時間延遲因子;f1，f2為模型前后部分的能量分布系數。

選定熱源函數后，鑒于本次模擬對象為多層多道焊，為減少計算量可選用熱循環曲線的形式施加熱量，即不依靠內核生熱而是直接賦予熱量的加熱方式。先基于選好的熱源函數，設定各工藝參數后進行熱源校核計算，查看計算焊縫熔融是否良好，可改善參數設定以達到最佳熔融狀態，計算表明有效熱功率值為3 600 W時融合狀態最佳，校核的熱源如圖3所示;依據得到的計算焊縫截面溫度熱循環數據創建熱循環文件，并導入Sysweld庫中;多層多道焊計算時，調用熱循環文件，實現多道次的熱量輸入。

圖3 熱源比對

3 模擬結果與分析

3.1 溫度場模擬結果

針對15 mm厚616裝甲鋼板脈沖MIG焊，開X型坡口，施焊時先進行W1道次打底，為預防未焊透或根部裂紋，焊完后經過清根進入W2道次焊接。預定工藝下焊接接頭溫度分布云圖如圖4所示。

圖4中展示的是第一、三和第七道次焊接過程中溫度場云圖。由圖4a可知，熱量逐漸擴大，熱影響區域與設定的網格密集區基本重合。圖4b是第三道焊接的熱量分布，由圖4的熔池形態可知，溫度在工件上都以熱源為中心等梯次分布，溫度場有規律的伴隨熱源移動而變化;由于道間溫度，第三道冷卻的熱影響區最高溫度較第一道次高近150℃，熱影響區的橫縱長度值也均大于第一次，詳見圖標注。由圖4c可知，最后一道焊完后高溫熱影響區近似半圓，面積達到最大，近265.5 mm2，溫度梯度沿著從焊縫向熱影響區的方向顯著增加，溫度分級密度也達到最大。冷卻800 s之后的溫度場顯示焊件上的溫度梯度已經較低了，其中焊縫和高溫影響區冷卻最為緩慢。比較三次道間溫度可以發現，焊接道次之間的溫度隨著焊接次數的增加而不斷提高，這對于獲得良好的接頭組織有重要指導意義。

3.2 焊接熱循環曲線分析

焊接熱循環決定了接頭組織的變化，分析接頭處的熱循環曲線可總結焊縫受熱規律，對全面分析應力分布與變形有重要意義。研究接頭的受熱情況，溫度場特征點選擇如圖5所示，N1為第一道焊縫中心節點，路徑A沿板厚方向垂直焊縫，依次距離4 mm選擇點N2、N3、N4，熱循環曲線如圖6所示。

圖6 特征點熱循環曲線

圖6a是第一道次焊縫中心點N1的熱循環曲線，隨著熱源的移近，N1點短時間內(少于10 s)升到峰值溫度(大約2 059℃)。熱源中心離開后，該點迅速冷卻，溫度降到約170℃時開始焊接第二道次。此后，N1節點在第二道至第七道次之間又經歷了6次熱循環，其中的溫度峰值分別為1 208℃，1 032℃，956℃，593℃，621℃和597℃。這 等 同于N1點經歷了6次熱處理，對均勻焊縫組織有重要意義。

圖6b表征的是路徑A上4點的熱循環過程，由圖6b可知，熱源到達前各點溫度變化不明顯，這是因為焊接速度相對材料熱傳導速度較大，熱源未到達中央截面之前，熱量尚未傳遞到截面處。當熱源到達中央位置時，各點溫度迅速上升，N1點的溫度變化速度最快達到了356.8℃/s，N2、N3和N4的溫度上升速率分別為266.4℃/s，118℃/s和43.7℃/s。曲線的溫度上升速率可以看出距離熱源越近，溫度上升越快。焊縫邊緣點N2溫度峰值最高為1 639℃，稍遠的兩點溫度峰值分別為930℃和440℃，結合曲線可知離熱源距離增加，受熱作用程度降低，溫度峰值到達時間延遲。奧氏體不銹鋼不發生固態相變，故不在此分析焊縫的相變溫度以上停留時間和冷卻時間。但若奧氏體在700℃～900℃停留時間過長，會析出碳化物，增大焊縫晶間腐蝕傾向，故要控制焊縫的高溫停留時間。

4 結論

(1)由溫度場云圖可知，隨著焊接的進行，第三道次層間溫度高于第一道次近150℃，第七道次又較第三道次高近70℃，可控制道間溫度來改善接頭組織。

(2)路徑A特征點的熱循環可知，越接近熱源的位置溫度升高越迅速(最大356.8℃/s)，先到達峰值點且峰值溫度越高。

(3)計算出每段焊接的溫度場，分析焊縫受熱規律，可為實際焊接提供參考依據。

［1］張文鉞.焊接傳熱學［M］.北京:機械工業出版社，1987.

［2］王能慶.616裝甲鋼焊接殘余應力與變形有限元分析［D］.重慶:重慶大學，2012.

［3］Goldak J，Chakravarti A，Bibby M.A new finite element model for welding heat sources［J］.Metallurgical Transactions，1984(15):229 －305.