S355鋼焊接溫度場和應力場有限元分析

段衛軍 鄧鴻劍 陳北平

摘要：S355鋼作為低合金鋼，在焊接過程中會伴隨著固態相變現象。在考慮S355鋼的固態相變效應基礎上，建立了焊接過程的熱彈塑性有限元模型。通過引入相變轉變模型、相變塑性和相變體積模型，計算獲得焊后組織分布云圖，并分析了焊縫和熱影響區典型節點的組織演變規律。結果表明，與不考慮固態相變效應相比，緊鄰焊縫兩側的熱影響區的Mises應力大幅降低，計算得到的殘余應力值與實測值吻合較好。

關鍵詞：S355鋼;固態相變;微觀組織;殘余應力

0? ? 前言

S355鋼屬于低合金高強鋼，其綜合力學性能優良、淬透性優異，被廣泛用于工程制造中。在低合金鋼的焊接過程中，由于局部不均勻的熱源作用產生的熱應變，并伴隨著固態相變現象，以及因固態相變引起的體積變化和相變誘導塑性效應等，導致工件冷卻后形成復雜的焊后殘余應力[1]。研究S355鋼的焊接應力的工程應用具有重要意義。

目前廣泛采用有限元分析技術對關鍵結構的焊接過程溫度場和應力場演變進行研究。Deng等人[2]研究了固態相變對9Cr-1Mo鋼管對接焊殘余應力分布的影響，發現馬氏體相變引起的體積變化不僅影響殘余應力的大小，而且還使得部分區域由拉應力轉變成了壓應力。遲露鑫[3]對SA508-3鋼厚壁圓筒進行了多層多道焊，發現熱源作用區域的溫度梯度變化很大，圓筒外壁的殘余應力明顯大于內壁的殘余應力。Jiang等人[4]研究了低溫相變焊絲對殘余應力的影響，證實馬氏體轉變引起的間斷冷卻收縮顯著降低了殘余應力。Hamelin等人[5]進行了鐵素體鋼單道焊接的試驗和有限元模擬，發現當接頭中存在馬氏體相變時，相變塑性對應力場有顯著影響。

文中以S355鋼為研究對象建立了考慮固態相變效應的熱-組織-應力的有限元模型，進行焊接過程中的溫度場和應力場的有限元分析。

1 試驗方法

試驗母材為S355鋼，焊絲為GM55-II。采用激光焊進行平板對接焊，其中設備為TRUMP-10002蝶式激光器，激光為連續激光，波長1 060 nm，斑點直徑0.2 mm，焊接時采用負離焦量（-2 mm）。

焊接試件坡口形式如圖1所示。采用單道次激光焊接，焊接工藝參數如表1所示。焊后采用盲孔法測試殘余應力。

2 有限元模型

2.1 網格模型

網格模型如圖2所示，尺寸150 mm×150 mm×12 mm。對焊縫區域的網格進行了局部加密，其他區域采用過渡網格。單元類型為六面體單元，焊縫及熱影響區網格尺寸為0.5 mm，母材網格尺寸1～5 mm過渡。母材和焊材的熱物理性能和熱機械性能見表2。

2.2 熱源模型

由于文中采用的激光功率較大，存在兩種效應：一是激光在坡口上部填充焊絲熔化形成熔池的熱導焊，二是激光穿透形成小孔的深熔穿透焊，最終兩種效應組合形成高腳杯形狀的焊縫。

為準確擬合激光焊接傳熱過程的熔池形態，采用雙橢球熱源+圓錐體積熱源組成的復合熱源模型。其中雙橢球熱源模型的分布模型如式（1）所示：

式中 Q=ηUI，η為熱效率，U和I分別為電壓、電流;ff和fr分別為前、后兩個半橢球體的能量分配系數，令ff∶fr=3∶7;a、bf、br、c為形狀參數。

錐形熱源的模型如式（2）所示：

式中 r0為有效作用半徑;r為節點與熱源中心之間的距離;m為線性衰減系數;H為熱源作用深度;h為任意截面的高度。

2.3 相變數學模型

2.3.1 組織轉變數學模型

2.3.2 相變塑性和相變體積模型

式中 βA-F和βA-M分別為奧氏體向鐵素體和馬氏體轉變的相變膨脹系數;βT-A為奧氏體化過程中的相變收縮系數;dfF、dfM和dfA分別為鐵素體、馬氏體和奧氏體體積分數的增量形式。

不同相的相膨脹系數和相變體積變化系數可由CCT測試中的膨脹曲線獲得，如圖4所示。

3 結果與分析

3.1 焊接傳熱分析

單道焊接工藝的溫度場分布如圖5、圖6所示，復合熱源可以較好地反映激光焊的深熔效果。

距焊縫中心不同距離的節點在焊接過程中的熱循環曲線如圖7所示，求得所有點在800～500 ℃區間的冷卻速度均在250～100 ℃/s之間。根據文中材料的測試結果，該冷速下只會發生馬氏體相變，不會發生鐵素體、珠光體和貝氏體相變。

3.2 焊接過程相變轉變

結合溫度分布云圖（見圖8）可知，焊接熔池及熱影響區（溫度高于Ac3）中奧氏體占比100%;溫度降至Ms以下的區域均發生了馬氏體相變，其中起焊處奧氏體已經全部轉變為馬氏體。最終焊縫及熱影響區全部由馬氏體組成。

從熱影響區與母材交界面橫向取3個相鄰單元，提取其熱應變的計算結果與溫度結果繪制出熱應變轉變曲線，如圖9所示。可以看出，母材區單元（綠色）由于溫度始終未超過Ac1，所以未發生相變，焊接時熱應變隨溫度線性增加，冷卻時又沿原路線性降低。熱影響區單元（紅色）升溫到Ac1～705 ℃后，發生奧氏體轉變，體積收縮，總應變陡降，超過Ac3～856 ℃時轉變完成;冷卻時，未發生任何擴散型相變，直至Ms～399.5 ℃點以下，發生馬氏體相變;冷至室溫后，最終熱應變歸零。母材與熱影響區交界面上的單元（藍色）在升溫時，峰值溫度未超過Ac3，所以只有少部分轉變為奧氏體;冷卻時，只有這部分奧氏體在Ms點以下發生了馬氏體相變，而其余部分仍為母材狀態。

3.3 相變對焊接變形的影響

考慮相變時，激光焊接的最終變形如圖10a所示，角變形比較明顯，而縱向彎曲趨勢不明顯。熄弧端的角變形略大于起弧端。不考慮相變時（見圖10b），單道焊的角變形略大于考慮相變的計算結果，此外呈現出非常明顯的縱向彎曲。

3.4 相變對焊接殘余應力的影響

計算得到的激光焊接殘余應力如圖11所示。考慮相變時（見圖11a），整個板厚上均呈現熔合區縱向受壓、熱影響區與母材交界面縱向受拉、母材遠端縱向受壓的狀態，最大縱向壓應力出現在熔合區中間，最大縱向拉應力出現在1/2厚度處的熱影響區與母材交界面上;而不考慮相變時（見圖11b），整個板厚上均呈現熔合區和熱影響區縱向受拉、只有母材受壓的狀態，且熔合區縱向拉應力大于熱影響區。由此可見，考慮相變時，應力水平較高的焊縫附近區域拉、壓應力獲得部分抵消，焊縫的縱向收縮合力小于不考慮相變的情況，導致后者縱向彎曲變形明顯大于前者。其中考慮相變計算得到的焊接縱向應力和盲孔法測試得到結果具有較好的一致性，如圖12所示。

4 結論

考慮固態相變效應后，進行S355鋼激光焊接過程中熱-組織-應力演變過程有限元模擬，得到以下結論：

（1）通過模擬，得到了焊縫及熱影響區經歷焊接熱循環條件下的馬氏體轉變規律。

（2）在固態相變作用下，激光焊接變形和殘余應力顯著降低。仿真得到的應力分布規律與實測值吻合較好。

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