雙相不銹鋼堆焊溫度場數(shù)值模擬

劉震昊 劉愛國

摘要： 采用有限元方法對2209雙相不銹鋼堆焊溫度場進行了模擬，分析了道間冷卻時間、焊接電流、電壓及焊接速度對溫度場的影響。結(jié)果表明，多層多道堆焊時，在道間留足夠的冷卻時間，可以降低各焊道的峰值溫度和高溫停留時間，降低后續(xù)焊道焊接時導致的溫度升高，有利于保持堆焊層的相平衡；后續(xù)焊道堆焊時，會導致前面相鄰焊道靠近后續(xù)焊道側(cè)出現(xiàn)較高溫度升高，對前面相鄰焊道中心及更遠處沒有顯著影響；多層堆焊時，后一層焊道焊接時，會導致前面一層對應焊道產(chǎn)生較高溫升；焊接熱輸入增加，導致堆焊焊道峰值溫度升高、高溫區(qū)范圍擴大，而且對前一道焊道造成的溫升增大。

關(guān)鍵詞： 雙相不銹鋼；堆焊；溫度場；數(shù)值模擬

中圖分類號： TG 402

Numerical simulation of temperature field of duplex stainless steel surfacing

Liu Zhenhao， Liu Aiguo

（Shenyang Ligong University， Shenyang 110159， China）

Abstract： The temperature field of 2209 duplex stainless steel surfacing was simulated by finite element method， and the effects of interpass cooling time， welding current， voltage and welding speed on the temperature field were analyzed. The results show that when multi-layer and multi-pass surfacing is applied， enough cooling time between passes can reduce the peak temperature and high temperature residence time of each weld bead， reduce the temperature rise caused by subsequent weld bead welding， and help to maintain the phase balance of the surfacing layer; When the subsequent weld bead is overlayed， it will lead to a higher temperature rise near the side of the previous adjacent weld bead， which has no significant impact on the center of the previous adjacent weld bead and beyond; During multi-layer surfacing， when the next layer of weld bead is welded， it will cause higher temperature rise of the corresponding weld bead of the previous layer; The increase of welding heat input leads to the increase of the peak temperature of the weld bead， the expansion of the high temperature zone， and the increase of the temperature rise of the previous weld bead.

Key words：? duplex stainless steel; surfacing; temperature field; numerical simulation

0 前言雙相不銹鋼組織中鐵素體與奧氏體約各占一半，兩相中任意一相的比例不低于30％ ［1］。雙相不銹鋼有非常好的耐點蝕能力和耐應力腐蝕能力，通常有較高的強度和良好的焊接性［2-4］，廣泛應用于石油化工、沿海建筑、發(fā)電站等各種工業(yè)環(huán)境中［5］;雙相不銹鋼的耐蝕性與組織關(guān)系密切［6-7］，只有兩相保持適當比例才能保證其良好的耐蝕性;受焊接熱循環(huán)的影響，雙相不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)可能會產(chǎn)生相比例失衡，從而使焊接接頭耐蝕性降低［8］。通常在單道焊情況下，焊接接頭快速冷卻會導致接頭中鐵素體含量過高，造成相比例失衡；而在堆焊時，通常要進行多層多道焊，反復加熱會導致大量二次奧氏體析出，使奧氏體含量過高，造成接頭相比例失衡，從而影響焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能［9-11］。因而對雙相不銹鋼堆焊過程中溫度場進行分析，掌握其變化規(guī)律，對保持接頭中的相平衡、提高接頭耐蝕性具有重要意義。

數(shù)值模擬方法是分析焊接溫度場的強有力工具，可以降低成本，減少試驗的盲目性，為優(yōu)化焊接參數(shù)提供更多理論依據(jù)［12-14］。采用Visual Weld軟件分析了雙相不銹鋼堆焊時不同工藝參數(shù)的焊接溫度場，以期為后續(xù)實際焊接試驗中工藝參數(shù)的制定提供理論依據(jù)。

1 雙相不銹鋼堆焊溫度場模型

1.1 熱源模型

雙相不銹鋼堆焊采用雙橢球熱源模型，如圖1所示。

前后兩部分半橢球采用不同的表達式，前半部分橢球內(nèi)熱源分布的表達式為

Q（x，y，z）=63f2Qπa1bcπexp（－3x2a21）exp（－3y2b2）exp（－3z2c2）（1）

后半部分橢球內(nèi)熱源的表達式為

Q（x，y，z）=63f2Qπa2bcπexp（－3x2a22）exp（－3y2b2）exp（－3z2c2）（2）

式中：Q=ηUI，η為熱源效率，U為焊接電壓（V），I為焊接電流（A）；a1，a2，b和c為橢球形狀參數(shù)；f1和f2為前后橢球熱量分布函數(shù)， f1+f2=2。

1.2 幾何模型

圖2為雙相不銹鋼堆焊件三維幾何模型，尺寸與實際焊件相同，基板尺寸為200 mm×100 mm×5 mm，共堆焊2層，第一層為ER304過渡層，第二層為ER2209堆焊層，每層3道，每道焊道長100 mm、寬14 mm、高3 mm，呈弧形，搭接量為0 mm。

由于焊道形狀不規(guī)則，劃分網(wǎng)格時采用了四面體單元和六面體單元相結(jié)合的網(wǎng)格類型，在焊道附近區(qū)域，網(wǎng)格劃分較密。模擬采用的有限元軟件為Visual Weld，常用材料可以直接從軟件自帶材料庫調(diào)取，選擇母材牌號為S355J2G3，對應國內(nèi)牌號Q345。第一堆焊層材料為ER304，可以直接在材料庫中調(diào)用，第二堆焊層材料為ER2209，需要通過Jmatpro軟件計算來獲取相關(guān)的參數(shù)，將ER2209的材料成分輸入到Jmatpro的不銹鋼相關(guān)模塊，計算材料的熱導率、比熱容、泊松比等性能參數(shù)，計算結(jié)果導入到有限元軟件的材料庫中使用。

1.3 初始條件及堆焊參數(shù)

除熱源所在位置外，均為輻射散熱條件，環(huán)境溫度為20 ℃，母材的初始溫度為20 ℃，焊接方法為冷金屬過渡（CMT），共進行6組堆焊參數(shù)的數(shù)值模擬，具體參數(shù)見表1。在每條焊道表面中間位置設置溫度追蹤點，分別定義為追蹤點1～6，追蹤點7設置在ER2209堆焊層第一條和第二條焊道交界線上，長度方向取中間位置。

2 結(jié)果與討論

2.1 道間冷卻時間對焊接溫度場的影響

試件1和試件2堆焊結(jié)束時的溫度場云圖如圖3所示，可以看出，過渡層道間不冷卻、堆焊層道間冷卻時間也較短的試件1堆焊結(jié)束時高溫范圍更大，焊件上最高溫度達到了2 217 ℃（圖3a）；而道間冷卻時間較長的試件2堆焊結(jié)束后，高溫范圍較小，焊件上最高溫度有所降低，為2 005 ℃（圖3b）。圖4所示為追蹤點1～6峰值溫度的對比情況，可以看出，試件1由于過渡層焊道間沒有冷卻，熱量在試件上不斷累積，導致各個焊道上的追蹤點峰值溫度不斷升高，堆焊層焊道間有冷卻，但時間也較短，使追蹤點峰值溫度一直保持

在較高水平;而試件2各焊道均進行了比較充分的冷卻，各焊道追蹤點峰值溫度相對較低，特別是ER2209堆焊層追蹤點峰值溫度，比試件1對應追蹤點低200 ℃以上。文獻［9］指出，隨著層間溫度的增高，二次奧氏體析出量不斷增多，使得焊縫中奧氏體含量增加，各焊道的峰值溫度低，在相同散熱條件下，高溫停留時間必然縮短，析出的奧氏體量將減少，有利于保持堆焊層的相平衡，在后續(xù)模擬中，將全部采用道間冷卻100 s的工藝。

2.2 多層多道焊對溫度場的影響

圖5為追蹤點1和追蹤點4的熱循環(huán)曲線，追蹤點1在過渡層第一道焊道上，熱循環(huán)曲線有6個峰，其中第一個是本身焊道經(jīng)過時產(chǎn)生的，溫度最高，達1 400 ℃左右；第四個是位于正上方的ER2209堆焊道經(jīng)過時產(chǎn)生的，溫度也較高，接近1 200 ℃；第二、三、五、六峰為相鄰焊道經(jīng)過時產(chǎn)生的，溫度升高較小，最高溫度為200～300 ℃。追蹤點4在ER2209堆焊層第一道焊道上，熱循環(huán)曲線有3個峰，其中第一個是本身焊道經(jīng)過時產(chǎn)生的，溫度最高，達1 400 ℃左右；第二、三峰為相鄰焊道經(jīng)過時產(chǎn)生的，溫升較小，最高溫度為200～300 ℃。200～300 ℃的溫度升高對ER2209堆焊層的組織沒有影響，也就是說，ER2209堆焊層后續(xù)焊道堆焊時，并不會影響第一道焊縫中部位置的相平衡。而追蹤點1熱循環(huán)曲線上的第四個峰溫度接近1 200 ℃，如果第一層也是雙相不銹鋼材質(zhì)，則會在焊接第二層對應位置焊道時有二次奧氏體生成。

圖6為試件1和試件2上追蹤點7的熱循環(huán)曲線。

追蹤點7和追蹤點4同樣位于ER2209堆焊層第一條焊道上，熱循環(huán)曲線同樣有3個峰，不同的是，追蹤點7的第二個峰比追蹤點4高很多，溫度達到500～600 ℃，產(chǎn)生這一差別的原因是，追蹤點7處于ER2209堆焊層第一條和第二條焊道交界線上，在第二道堆焊時受到的影響更大，可能生成更多的二次奧氏體。從圖6中還可以看出，試件1的熱循環(huán)曲線上，不僅第一個峰比試件2高，第二個峰也比試件2高，這說明道間冷卻時間短，不僅在本身焊道焊接時峰值溫度更高，會產(chǎn)生更多的奧氏體，下一道焊道焊接時導致的溫升也更高，二次奧氏體生成也更多。

2.3 焊接工藝參數(shù)對焊接溫度場的影響

圖7是不同焊接電流、焊接電壓堆焊試件追蹤點4的熱循環(huán)曲線，圖8是試件堆焊結(jié)束時的溫度場云圖。可以看出，隨著焊接電流、焊接電壓的增加，單位長度焊縫的焊接熱輸入增加，堆焊焊道峰值溫度升高，高溫區(qū)范圍擴大，而且對前一道焊道造成的溫度升高增大，勢必造成一次奧氏體和二次奧氏體的量都增加。

圖9是不同焊接速度堆焊試件追蹤點4的熱循環(huán)曲線，圖10是試件堆焊結(jié)束時的溫度場云圖，可以看出，隨著焊接速度的增加，焊道附近換熱量減少，周圍母材吸收熱量減少，高溫停留時間變短，堆焊焊道峰值溫度降低，高溫區(qū)范圍減小，而且對前一道焊道造成的溫度升高減小，將使一次奧氏體和二次奧氏體的量都減少。

3 結(jié)論

（1）多層多道堆焊時，在道間留足夠的冷卻時間，可以降低各焊道的峰值溫度和高溫停留時間，降低后續(xù)焊道焊接時導致的溫度升高，減少一次奧氏體和二次奧氏體析出，有利于保持堆焊層的相平衡。

（2）后續(xù)焊道堆焊時，會導致前面相鄰焊道靠近后續(xù)焊道側(cè)出現(xiàn)較高溫升，容易導致二次奧氏體析出，對前面相鄰焊道中心及更遠處沒有顯著影響。

（3）多層堆焊時，后面一層焊道焊接時，會導致前面一層對應焊道產(chǎn)生較高溫升，容易導致二次奧氏體析出。

（4）焊接熱輸入增加，導致堆焊焊道峰值溫度升高、高溫區(qū)范圍擴大，而且對前一道焊道造成的溫升增大，使一次奧氏體和二次奧氏體析出量增加。

參考文獻

［1］ 宋志剛，豐涵，吳曉涵，等.中國雙相不銹鋼的發(fā)展及研究進展［J］.中國冶金，2022，32（6）：2-14.

［2］ Smiderle J， Pardal J M，Tavares S S M ， et al. Premature failure of superduplex stainless steel pipe by pitting in sea water environment［J］. Engineering Failure Analysis，2014，46（12）：134-139.

［3］ Hanme Yoon，Heon-YoungHa， Sung-Dae Kim， et al. Effects of carbon substitution for nitrogen on the pitting corrosion resistance of type UNS S32205 duplex stainless steel［J］. Corrosion Science，2020，164：108308.

［4］ Yoon H， Ha H Y， Kim S D， et al. Pitting corrosion resistance and repassivation behavior of C-bearing duplex stainnless steel［J］. Metals，2019，9（9）：930-942.

［5］ 黃澳，陳吉，宋見，等.經(jīng)濟型雙相不銹鋼焊接的研究進展［J］.熱加工工藝，2016，45（5）：7-10.

［6］ Silva D， Simes T A， Macedo D A， et al. Microstructural influence of sigma phase on pitting corrosion behavior of duplex stainless steel/NaCl electrolyte couple［J］. Materials Chemistry and Physics，2021，259：124056.

［7］ Ha H Y， Lee T H， Lee C G， et al. Un-derstanding the relation between pitting corrosion resistance and phase fraction of S32101 duplex stainless steel［J］. Corrosion Science，2019，149（APR）：226-235.

［8］ 艾建陽，胡裕龍，王皓，等.雙相不銹鋼及其焊接接頭腐蝕研究進展［J］.表面技術(shù)，2022，51（4）：77-91.

［9］ 王新，劉潔，范光偉，等.層間溫度對超級雙相不銹鋼SAF2507模擬熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變規(guī)律及力學性能的影響［J］.中國科技論文，2016，11（4）：378-381，394.

［10］ 栗宏偉，趙志毅，薛潤東.熱輸入對SAF2507超級雙相不銹鋼焊接接頭顯微組織及硬度的影響［J］.焊接學報，2022，43（2）：20-26.

［11］ 師金鳳，雷玉成.2205雙相不銹鋼薄壁小徑管鎢極氬弧焊接頭組織和性能［J］.焊接，2021（9）：34-38.

［12］ 劉成. 2205雙相不銹鋼雙絲CMT焊接及數(shù)值模擬研究［D］.重慶：重慶科技學院，2019.

［13］ 張雪，夏玉峰，滕海灝，等.多道多層堆焊成形數(shù)值模擬及殘余應力研究［J/OL］.機械科學與技術(shù)，10.13433lj.cnki.1003-8728.20200615.

［14］ 邢天航. 雙相不銹鋼電弧增材制造熱力場數(shù)值模擬與工藝優(yōu)化［D］.秦皇島：燕山大學，2018.

收稿日期： 2022-10-31

劉震昊簡介： 碩士研究生；主要從事雙相不銹鋼堆焊的研究；1553157189@qq.com。