基于Simufact的Q345焊接熱循環(huán)主要參數(shù)研究

張 建，周訓(xùn)謙

（1.畢節(jié)市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，貴州畢節(jié)551700；2.畢節(jié)市工業(yè)學(xué)校，貴州畢節(jié)551700）

基于Simufact的Q345焊接熱循環(huán)主要參數(shù)研究

張 建1，周訓(xùn)謙2

（1.畢節(jié)市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，貴州畢節(jié)551700；2.畢節(jié)市工業(yè)學(xué)校，貴州畢節(jié)551700）

焊條電弧焊焊接時(shí)由于熱源在移動(dòng)，母材金屬各點(diǎn)經(jīng)歷著熱循環(huán)歷程，這種歷程既使焊接母材的組織和性能產(chǎn)生不均勻變化，還使焊接區(qū)域產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、殘余應(yīng)力和變形。運(yùn)用Simufact-Welding軟件對(duì)Q345鋼進(jìn)行焊接仿真，研究了焊接熱循環(huán)過程中的主要參數(shù)：加熱速度、加熱最高溫度、高溫持續(xù)時(shí)間和t8/5時(shí)間，簡化研究焊條電弧焊焊接熱循環(huán)的試驗(yàn)過程，為探索焊條電弧焊提供了一種新方法。

Simufact；焊條電弧焊；熱循環(huán)

0 前言

焊條電弧焊焊接時(shí)，被焊金屬在熱源作用下發(fā)生加熱和熔化，當(dāng)熱源離開后，金屬開始冷卻，在整個(gè)焊接過程中必然存在熱的輸入、傳播和分布問題，由于熱源的移動(dòng)，焊接部位要經(jīng)歷不均勻的加熱和冷卻的熱循環(huán)歷程，這種歷程既使焊接母材的組織和性能產(chǎn)生不均勻變化，還使焊接區(qū)域產(chǎn)生殘余應(yīng)力、扭曲和變形。焊接熱循環(huán)過程影響產(chǎn)品的制造質(zhì)量和使用性能，焊接結(jié)構(gòu)破壞事故許多是由焊接應(yīng)力和變形所引起[1-2]。本研究運(yùn)用Simufact軟件研究Q345鋼焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)。

1 焊接過程三維導(dǎo)熱微分方程

焊條電弧焊的三維導(dǎo)熱微分方程為

式中 T為溫度值（單位：K）；λ為熱導(dǎo)率（單位：W/ m·K）；ρ為密度（單位：kg/m3）；c為比定壓熱容（單位：J/kg·K）；q為熱流密度（單位：W/m3）；x、y、z為坐標(biāo)分量（單位：m）。

2 高斯分布熱源本構(gòu)方程

對(duì)于焊條電弧焊，由于熔深淺和挺度小，焊接熱源是移動(dòng)的加熱斑點(diǎn)，因此，在加熱斑點(diǎn)上的熱流分布一般近似地用高斯分布函數(shù)來描述。

高斯分布函數(shù)

式中 q（r）為距離熱源中心r處的熱流密度（單位：J/m2·s）；η為焊接熱效率（取0.8）；U為電弧電壓（單位：V）；I為焊接電流（單位：A）；rH為加熱斑點(diǎn)半徑（單位：m），rH=0.015 m[3-4]。

3 焊接模型的建立

由于Solidworks、Hypermesh和Simufact Welding的系統(tǒng)默認(rèn)坐標(biāo)系都是笛卡爾坐標(biāo)系，因此模型導(dǎo)入時(shí)視圖方向不發(fā)生變化。本研究運(yùn)用Solidworks建立實(shí)體焊接模型，該模型由焊件（part）、固定裝置（fix）、夾緊裝置（clamp）和工作臺(tái)（low plate）組成，焊件1和焊件2的幾何尺寸分別為150mm×80mm× 5 mm和150 mm×60 mm×5 mm，焊件材料為Q345，將該實(shí)體模型導(dǎo)入Hypermesh進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，將劃分好的實(shí)體網(wǎng)格導(dǎo)入Simufact Welding中進(jìn)行裝配并賦值，焊件1和焊件2完全約束，環(huán)境溫度20℃，焊接電流170 A，電弧電壓18 V，焊接速度9 m/h，焊條直徑φ4.0，電弧長度控制在2～4 mm，重力方向的矢量坐標(biāo)為X，Y，Z（0，0，-1），焊接方向矢量坐標(biāo)為X，Y，Z（-1，0，0），焊條與水平焊件夾角的矢量坐標(biāo)為X，Y，Z（0，1，1），焊條與焊接方向的矢量坐標(biāo)為X，Y，Z（-0.364，0，1），導(dǎo)入Simufact Welding中的焊件模型如圖1所示，求解器類型為Multifrontal Direct Sparse Solver。

圖1 焊接模型Fig.1 Welding model

4 結(jié)果分析

4.1 加熱速度ωH

焊接過程中的加熱速度一般比常規(guī)金屬熱處理加熱速度快得多，因此其相變過程有自身的特性，加熱速度快的部位，其加熱相變溫度隨之提高。不同的焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)、接頭形式、幾何尺寸和約束條件以及板厚度等都會(huì)影響加熱速度。本研究中板厚為5 mm，不開坡口的單層T形平角焊接。對(duì)于Q345材料而言，加熱速度快，意味著發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度提高，奧氏體的均質(zhì)化和碳化物的熔解過程就越不充分，必然會(huì)影響其冷卻過程時(shí)的組織和性能。圖2為熔合線處采樣點(diǎn)的加熱溫度曲線，引弧時(shí)的采樣點(diǎn)為1，收弧時(shí)的采樣點(diǎn)為31，從引弧到收弧熔合線上共設(shè)31個(gè)采樣點(diǎn)（下同），采樣點(diǎn)1到采樣點(diǎn)5的加熱速度分別為：168℃/s、130℃/s、104℃/s、108℃/s和123℃/s，采樣點(diǎn)27到采樣點(diǎn)31的加熱速度分別為：192℃/s，217℃/s，173℃/s，298℃/s，317℃/s。

圖2 加熱溫度曲線Fig.2 Curve of heating temperature

4.2 加熱最高溫度Tm

焊接過程中的最高溫度對(duì)焊后母材熱影響區(qū)的組織和性能有很大影響，接頭熔合線上由于溫度高，晶粒長大嚴(yán)重，韌性降低。Q345焊縫處的最高溫度曲線見圖3，由于在焊件2的對(duì)稱平面上施加約束，當(dāng)熱源離開此約束位置時(shí)，采樣點(diǎn)的Tm=1 548℃，采樣點(diǎn)1的Tm=1156℃，采樣點(diǎn)2的Tm=1120℃，采樣點(diǎn)30的Tm=1 720℃，采樣點(diǎn)31的Tm=1 475℃。

圖3 加熱最高溫度曲線Fig.3 Curve of heating highest temperature

4.3 高溫持續(xù)時(shí)間tH

該時(shí)間的長短對(duì)于Q345金屬相的溶解、組分的擴(kuò)散均質(zhì)化、析出以及晶粒大小均產(chǎn)生很大影響。高溫持續(xù)時(shí)間越長，越有利于奧氏體均質(zhì)化過程和奧氏體晶粒的長大。Q345鋼的高溫持續(xù)時(shí)間如圖4所示，由圖4可知，加熱過程持續(xù)時(shí)間比冷卻過程持續(xù)時(shí)間小，采樣點(diǎn)1的tH=5.6 s，采樣點(diǎn)2的tH=6.7 s，采樣點(diǎn)3到采樣點(diǎn)26的tH值小于10 s，采樣點(diǎn)27的tH=9.5 s，采樣點(diǎn)28的tH=10.6 s，采樣點(diǎn)29的tH=11.1 s，從采樣點(diǎn)1到采樣點(diǎn)29的高溫持續(xù)時(shí)間值從小變大，采樣點(diǎn)30的tH=10.9 s，采樣點(diǎn)31的tH=9.5 s。

4.4 不預(yù)熱的t8/5時(shí)間

t8/5時(shí)間決定Q345鋼熱影響區(qū)組織和性能的主要參量，也是熱循環(huán)過程研究的主要內(nèi)容，對(duì)其組織和性能有決定性作用。焊接熱循環(huán)特征參數(shù)是對(duì)焊接接頭熱循環(huán)的定量描述，反映了接頭組織和性能的變化，研究焊接熱循環(huán)參數(shù)，對(duì)于了解和改善接頭的組織和性能具有重要意義。知道這些參量后，可以根據(jù)材料特性預(yù)測(cè)熱影響區(qū)的組織、性能和焊接裂紋傾向。Q345鋼的不預(yù)熱的t8/5如圖5和圖6所示，由圖5、圖6可以計(jì)算出采樣點(diǎn)1的t8/5= 12.9 s，采樣點(diǎn)2的t8/5=12.2 s，采樣點(diǎn)3的t8/5=12.5 s，采樣點(diǎn)27的t8/5=17 s，采樣點(diǎn)28的t8/5=17.7s，從采樣點(diǎn)2到采樣點(diǎn)28的t8/5時(shí)間遞增，采樣點(diǎn)29的t8/5= 16.1 s，采樣點(diǎn)30的t8/5=17.2 s，采樣點(diǎn)31的t8/5= 15.8 s。圖7為焊條電弧焊的線算圖。1976年，西德的鋼鐵學(xué)會(huì)將D.烏威等人所提出的t8/5工程計(jì)算方法正式列入了學(xué)會(huì)的鋼鐵材料技術(shù)指導(dǎo)文件。這一工程計(jì)算的假設(shè)條件是：（1）在靜止的空氣中焊接；（2）忽略不計(jì)相變的反應(yīng)熱及電弧周圍的熱交換；（3）所輸入的熱量全部由母材吸收[5]。從圖7中測(cè)出的不預(yù)熱t(yī)8/5時(shí)間值和Simufact模擬出的采樣點(diǎn)1到采樣點(diǎn)6值基本吻合，但從采樣點(diǎn)7到采樣點(diǎn)31的t8/5時(shí)間值比線算圖中的值大，具體原因有待進(jìn)一步研究。

圖5 t8/5時(shí)間圖Fig.5 Chart of t8/5time

5 結(jié)論

運(yùn)用simufact-welding軟件對(duì)Q345鋼采用焊條電弧焊進(jìn)行焊接仿真，研究其焊接時(shí)熱循環(huán)的主要參數(shù)：加熱速度、加熱最高溫度、高溫持續(xù)時(shí)間和不預(yù)熱的時(shí)間，簡化研究焊條電弧焊焊接熱循環(huán)的試驗(yàn)過程，為探索焊條電弧焊焊接提供了一種新方法。在仿真中發(fā)現(xiàn)：不預(yù)熱的t8/5的前6個(gè)采樣點(diǎn)與t8/5線算圖中的值基本吻合，但從第7個(gè)采樣點(diǎn)開始到采樣點(diǎn)結(jié)束時(shí)的t8/5比線算圖中的值大，具體原因還待進(jìn)一步研究。

圖6 t8/5時(shí)間圖Fig.6 Chart of t8/5time

[1]張文鉞.焊接傳熱學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

[2]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)（3版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]高耀東，何建霞，喬云芳.焊接過程有限元分析[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，46（6）：1107-1109.

[4]雷卡林H H.焊接熱過程計(jì)算[M].徐碧宇等譯，北京：中國工業(yè)出版社，1958.

圖7 t8/5線算圖Fig.7 t8/5chart of linear calculation

[5]史耀武.材料工程大典（22卷）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版 社，2006.

Study on the major parameters of Q345 welding thermal cycle based on Simufact

ZHANG Jian1，ZHOU Xunqian2
（1.Bijie Agriculture Machinery Research Institue，Bijie 551700，China；2.Bijie Polytechnic School，BiJie 551700，China）

Due to the heat source is moving during shielded metal arc welding，each point of the base metal undergoes thermal cycle process.This process not only makes the microstructure and property of the base metal change asymmetrically，but also makes the weld zone generate torsion，residual stress and deformation.The Q345 steel is conducted with welding simulation by using Simufact-Welding software to study the main parameters in the process of thermal cycle；these parameters are heating rate，the highest heating temperature，duration time of high temperature and t8/5 time.And the experimental process of thermal cycle of the shielded metal arc welding is studied simply and a new method is provided for shielded metal arc welding.

simufact；shielded metal arc welding；thermal cycle；parameter

TG444+.1

：A

1001-2303（2015）09-0167-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.38

2014-12-05；

2014-12-20

張 建（1962—），男，貴州納雍人，講師，學(xué)士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化的研究工作。