預熱對Q690E斜Y坡口焊接裂紋影響的數值模擬分析

黃文劍， 林國珍， 陳章蘭

(1.泉州城東萬達廣場商業管理有限公司， 福建 泉州 363000；2.集美大學 福建省船舶與海洋工程重點實驗室， 福建 廈門 361021)

0 引 言

焊接過程非常復雜，涉及電弧物理、傳熱學、冶金和力學等領域[1]。目前，在焊接生產過程中廣泛采用的冷裂紋試驗方法為斜Y型坡口焊接裂紋試驗，該試驗方法常作為評價碳素鋼和低合金高強度鋼焊接接頭熱影響區(Heat Affected Zone， HAZ)冷裂紋傾向大小的依據[2]。由于焊接試件材質和厚度不一樣，如果對所有試件都做焊接冷裂紋試驗，既增加生產成本，又費時費力。利用有限元數值模擬可代替大量的試驗工作,通過設定不同的焊接參數，得到焊接過程殘余應力的分布規律。高強鋼焊接產生冷裂紋的3大主要因素有：淬硬組織、氫含量、接頭應力。這3大因素的相互影響和作用在達到一定程度時，會產生焊接冷裂紋[3]。Q690E材料常用于海洋平臺樁腿,在焊接時冷裂傾向大，難以保證焊接質量[4]。本文以低合金高強鋼Q690E為研究對象，運用ANSYS有限元軟件進行溫度場和應力場耦合,模擬焊接工況,改變焊接預熱溫度并比較這個因素對焊接殘余應力分布規律的影響，為裂紋冷裂傾向的定量分析提供基礎數據。

1 焊接溫度場與應力場的控制方程

1.1 焊接溫度場的表征

在焊接過程中，焊件局部溫度迅速升高，隨后又快速降低。在整個過程中，由于熱源的位置變化，焊件的溫度會跟隨時間和空間的改變而變化。因此，焊接溫度場模擬屬于典型的非瞬態熱傳導問題，其三維溫度場控制方程[5]為

(1)

式中:T為焊接溫度場的溫度變量；ρ為密度；λ為熱傳導系數；qv為求解區域V的內熱源強度；c為比熱容；t為熱量傳導時間。

焊接溫度場的換熱邊界條件[6]為

(2)

試件外表面與環境間熱交換系數[2]為

(3)

1.2 焊接應力-應變場方程

焊接結構件由于在焊接過程中存在溫度場，產生了塑性變形。應力-應變場的關系方程[6]為

dσ=Ddε-cdT(4)

式中:dσ為應力變化量；dε為應變變化量；dT為溫度變化量；D為彈性或彈塑性矩陣；c為與溫度有關的常量。

2 焊接裂紋試驗有限元模擬

本文采用ANSYS耦合場分析中的間接耦合法[7]，認為焊接溫度場對試件應力-應變場作用效果明顯，而焊接應力-應變場對溫度場的影響很小，不考慮溫度場引起的振動。由于在熱應力計算中存在塑性材料蠕變的非線性應力-應變關系，在單元類型中將SOLID 185單元由全積分變為縮減積分，這樣有助于提高計算的收斂性。利用斜Y型坡口焊接裂紋試驗模型，通過ANSYS自帶的編程語言APDL將焊接變量參數化，模擬焊接內部循環命令。

2.1 有限元模型的建立

根據“CB/T 4364-2013斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法”規定建立如圖1所示的200 mm × 75 mm × 12 mm的幾何模型。兩端和中間分別為約束焊縫和試驗焊縫，模型截面參考圖1中的A-A和B-B。在焊接模擬過程中，認為兩端X型坡口部分都已經焊接完畢，該處焊縫主要起到拘束的作用，可以將其當作在整個焊接試驗中不產生應力應變，參照文獻[8]的處理方法，對模型作適當簡化，拘束焊縫的模型是由中間試驗焊縫模型的基礎延伸而建立的。根據網格大小將整個模型分為3部分：焊縫區、過渡區和其他區域。垂直焊縫方向的過渡區是通過旋轉工作平面，然后以焊縫中心為基準沿著垂直焊縫的方向前后各平移12 mm切分而來的沿焊縫方向的過渡區是通過將焊縫截面沿焊縫方向即沿z方向前后各拉伸10 mm而來的。在模擬分析中，試驗焊縫截面尺寸如圖2所示。焊接方法為熔化極活性氣體保護焊(MAG)，保護氣體用80%Ar+20%CO2。

圖1 斜Y型坡口焊接裂紋試驗試件形狀和尺寸

圖2 試驗焊縫截面尺寸

2.2 材料熱物理性能參數和選擇單元類型

在焊接過程中，由于溫度的急劇變化，材料的物理性能參數也會隨之變化。在焊接材料的塑性變形中，殘余應力的計算結果與這個過程[9]是相關的。由于Q690E性能參數在考察區間內隨溫度變化不大，取為定值，其中,密度為7 880 kg/m3、泊松比為0.3。具體數值如表1所示。

表1 Q690E材料性能參數[10]

在利用ANSYS進行熱分析的過程中，先選用三維實體SOLID 70單元進行分析，完成熱分析后，把SOLID 70變成相應的結構單元SOLID 185。由于焊接過程的溫度隨時間和空間發生急劇變化，變化梯度很大，在劃分網格時，為節省計算時間，本文將焊縫位置的網格尺寸取2 mm，與焊縫相鄰的熱影響區取3.5 mm且對該區域的網格進行過渡圓滑處理，其他區域的網格尺寸取5 mm，如圖3所示。

圖3 斜Y坡口焊接裂紋試驗模型網格

2.3 焊接工藝參數和焊接過程模擬

在焊接過程中，考慮到焊絲較細，焊縫為單道2層焊縫形式，由于焊縫比較薄，焊接電流也作相應的調整。熱輸入參數：焊接電壓25 V，電流120 A，焊接速度300 mm/min,焊接熱效率取0.80。

模擬過程采用高斯體熱源，利用單元生死命令對單元進行排序，并配合時間步長和焊接速度控制單元生死，以焊接處的單元被激活、焊縫其他區域的單元被殺死來模擬整個焊接過程。單元被殺死并不是簡單地把單元去除，而是單元可以正常地顯示，只是不參與計算，從而更真實地接近實際焊接過程。沿焊縫方向劃分40個網格，每個網格2 mm，每個載荷步時間步長dt=0.4 s，根據公式焊接載荷移動次數N=L/V/dt=40(其中L為長度；V為移動速度；dt為載荷步時間步長),即載荷每移動1次就是1個網格距離。一共計算80個子步，焊接循環所需計算時間為32 s。

其中，在穩態分析中，考慮到設定的冷卻時間可能不一定能夠達到冷卻溫度，因此在冷卻分析中，直接將整個焊件的溫度設定為均一溫度，這是由于設定穩態時間并不參與計算，只作為時間的標示，其不會影響結果，但每次分析的時間都比上一次時間大一點，不能與上一段分析時間相同，否則會覆蓋上一個分析結果。利用這一設定可以節省大量的計算時間。

2.4 計算結果

2.4.1 溫度場

焊接溫度場經歷了一個非穩態—準穩態—非穩態的過程[11]。由于整條焊縫被劃分成40個網格、2道焊縫，網格處的溫度隨熱源移動而發生變化。起初焊件各節點溫度相同；焊接開始后，起焊處的節點溫度迅速上升，隨后溫度由于熱源移動到下一網格而快速降低。整個焊接循環熱源移動了80次，焊接處的節點溫度也變化了80次，即焊接處節點的溫度隨時間變化，各節點的溫度也隨熱源移動。在準穩態過程中，熱源前部節點的溫度梯度大，后部節點的溫度梯度小。最后，整個焊件進入自然冷卻狀態，焊件的溫度降低很快，最終趨于環境溫度。由于焊接模型近似于左右對稱，焊縫的位置位于焊件的中間，因此整塊焊件最后的溫度分布也近乎左右對稱，焊縫位置處的溫度高，遠離焊縫位置處的溫度低。圖4為在自然冷卻條件下最后時間子步的溫度場分布云圖。

圖4 自然冷卻條件下最后時間子步的溫度場分布云圖

2.4.2 殘余應力分布

通過動態應力場模擬計算結果可以發現，焊件在逐步冷卻過程中，殘余應力會逐漸增加，直至試件溫度減小至室內溫度時達到峰值，橫向殘余應力(垂直于焊縫方向)始終比縱向的殘余應力(沿焊縫長度方向)要小。圖5為試板自然冷卻至30 ℃時的應力分布情況，從中可以看出：焊縫開始焊接處的殘余應力較小，焊縫終端殘余應力較大；焊縫、熔合區及HAZ為殘余拉應力，遠離焊縫的區域承受壓應力，且焊縫區域的殘余應力最大。

圖5 等效應力分布圖

圖6是在焊縫表面、焊縫中部和焊縫底部處所選取節點的z向殘余應力分布圖。從圖中可以看出，殘余應力峰值都出現在坡口處，焊縫中心和根部的應力分布都是焊縫兩邊高、中間區域小，HAZ處應力梯度最大，且焊縫表面、中心和根部的殘余應力均是遞增的關系。

圖6 截面A-A距焊縫不同位置處的應力分布

3 預熱溫度影響

3.1 預熱溫度對t8/5和t8/3的影響

t8/5長短是影響焊縫組織冷卻速度的重要因素，焊接接頭的冷卻速度可通過預熱來降低，延長t8/5有利于擴散氫逸出，從而避免冷裂紋的產生。表2 為試板的焊縫表面節點(第38號節點位置處)在不同預熱溫度下的t8/5和t8/3，即在室溫30 ℃、預熱100 ℃、預熱150 ℃、預熱200 ℃下從800 ℃自然冷卻到500 ℃和300 ℃所用的時間，通過比較該時間的長短，推斷是否有焊接冷裂紋產生的傾向。由表2可以看出：當預熱溫度增大時，其t8/5和t8/3也會相應增加，即冷卻速度減?。活A熱溫度越高，溫度由500 ℃降至300 ℃的時間越長，說明冷卻速度降低越明顯，越有利于降低擴散氫的逸出，從而避免接頭焊接冷裂紋的產生。圖7為在某一工況下38號節點預熱→焊接→冷卻→室溫的熱循環曲線，節點處于焊縫與節點接觸的位置，由于焊縫為2道焊縫，因此38號節點經歷了2次加熱過程。圖8為在不同預熱溫度下38號節點的t8/5和t8/3分布規律。

表2 溫度場計算結果

圖7 焊縫表面節點的熱循環曲線

圖8 不同預熱溫度下焊縫表面節點的熱循環曲線

3.2 預熱溫度對殘余應力的影響

由于殘余應力的存在會削弱焊件結構的疲勞強度，當焊縫處的拉伸殘余應力大于屈服強度時將大幅降低焊接結構的疲勞強度，殘余應力越大，疲勞壽命越短，因此本文對不同預熱溫度對殘余應力的影響進行考察。圖9為分別在4種溫度工況下，即不預熱室溫條件、預熱100 ℃、預熱150 ℃和預熱200 ℃時，垂直于焊縫方向截面A-A的焊縫表面距離焊縫中心不同位置處殘余應力分布。從圖9可以看出：提高預熱溫度可以降低殘余應力的峰值，從而可有效降低焊接裂紋的產生；提高預熱溫度可降低應力梯度，即焊縫表面殘余應力分布更加地矮胖。為減小殘余應力，在實際生產過程中，適當選擇稍高的焊接預熱溫度。

圖9 截面A-A焊縫表面與焊縫中心不同距離處不同預熱溫度下殘余應力分布

3.3 預熱溫度對熱裂紋的影響

在焊接過程中，熱裂紋是焊縫和熔合線附近HAZ金屬冷卻到固相線附近的高溫區所產生的焊接裂紋，在實際生產中最常見的熱裂紋是結晶裂紋。高溫區間應力大小對熱裂紋有很大的影響。結晶裂紋是焊縫在結晶過程中由于雜質的原因而形成的低熔點共晶物[12]。圖10為在實際焊接試驗過程中形成的熱裂紋，從中可見，裂紋沿焊縫長度方向分布于焊縫中心，且裂紋長度較長、較深。圖11為在模擬焊接過程中焊縫表面中心某節點在1 200～800 ℃的熱應力曲線。從圖中可以看出，預熱溫度越大，某一溫度下的熱應力越小，但隨著溫度降低，熱應力均隨之增大。

圖10 焊接過程產生的熱裂紋

圖11 不同溫度下焊縫表面中心某節點的熱應力分布

3.4 預熱溫度對弧坑裂紋的影響

弧坑裂紋是由在焊接收弧時電流突然大幅降低甚至熄滅，造成熔池中心凝固太快，受到周圍金屬收縮產生的拉應力而產生的?；】恿鸭y是熱裂紋的一種，是冶金和力的因素共同作用的結果，提高預熱溫度可很好地減小弧坑裂紋的產生[13]。圖12～圖15分別為焊縫收尾處440號節點沿x、y、z方向的應力和3個方向的等效應力曲線，從中可以發現，在3個方向上4種預熱溫度下應力曲線走向基本一致，提高預熱溫度可減小某一時刻的應力，預熱溫度越高，對減小應力數值越有利，因此，提高預熱溫度可很好地減小弧坑裂紋的產生。

圖12 焊縫收尾處440號節點沿x軸方向的應力曲線

圖13 焊縫收尾處440號節點沿y軸方向的應力曲線

圖14 焊縫收尾處440號節點沿z軸方向的應力曲線

圖15 焊縫收尾處440號節點等效應力曲線

4 結 論

(1) Q690E低合金高強鋼的斜Y 型坡口焊接裂紋，沿焊縫方向的殘余應力大于垂直于焊縫方向的應力，且其應力峰值出現在焊縫坡口側及焊縫根部附近，熔合區處的應力梯度較大。

(2) 焊接時提高預熱溫度可降低殘余應力峰值和應力梯度，從而減少焊接裂紋的產生，減小殘余應力，并延長焊件的疲勞壽命。

(3) 焊接時提高預熱溫度，有利于增加t8/5和t8/3,有利于擴散氫的逸出,從而減少焊縫冷裂紋的產生，同時可以減少焊接熱裂紋和弧坑裂紋的產生。