窄間隙埋弧焊熱—力耦合有限元建模及殘余應力分析

高震賢

（天津奇利石油工程技術服務有限公司，天津 300450）

窄間隙埋弧焊常用于厚板焊接，它相較于普通埋弧焊的焊接坡口更窄，具有成本低、焊接效率高等優點。由于其焊接坡口窄而深，要獲得高質量的焊接接頭需要精確制備焊接坡口并設計合理的焊接工藝參數。對窄間隙埋弧焊過程進行有限元數值模擬技術分析，可較為準確地預測焊接過程中溫度場與應力場的分布特征與動態演變過程，從而探究工藝參數對焊接過程的影響，對實際生產具有指導意義[1,2]。

本文基于ABAQUS 軟件，建立了以2.25Cr-1Mo-0.25V 低合金耐熱鋼為焊接母材的窄間隙埋弧焊有限元模型，研究了厚板窄間隙埋弧焊焊接過程中應力場與溫度場的分布特征與動態演變規律，探討了焊接速度對殘余應力的影響，對優化窄間隙埋弧焊工藝具有指導意義[3]。

1 窄間隙埋弧焊熱—力耦合有限元建模

1.1 雙橢球焊接熱源模型

焊接過程數值模擬分析中主要采用的熱源模型包括高斯熱源模型、球狀分布模型、串段分布模型和雙橢球熱源模型等。雙橢球熱源模型示意圖如圖1所示，該模型以體熱源的形式向焊件施加熱量，能充分考慮到焊接過程中電弧在厚度方向對熔池溫度的影響[4,5,6]。前、后半球熱源的能量密度分布函數如公式（1）所示。

圖1 雙橢球熱源模型

式中：af、a、b、c 為橢圓的形狀參數；f1為前半橢球的能量分數，f2為后半橢球的能量分數，且f1+f2=2。

1.2 焊接熱-力耦合有限元模型構建

本文用于窄間隙埋弧焊的材料為2.25Cr-1Mo-0.25V 低合金耐熱鋼。如圖2 所示，在ABAQUS 軟件中建立尺寸為20mm×20mm×13mm 的焊件三維實體模型，并對其劃分網格。定義好材料的熱物性參數后施加一定的邊界條件，其中焊件的預熱溫度為200℃，焊件與空氣的對流換熱系數為20W/m2·℃，熱輻射系數為0.6。將用Fortran 語言編寫好的雙橢球熱源的子程序導入至有限元模型中，控制熱源的能量施加與移動，施加的焊接線能量為32kJ/cm，焊接速度包括35cm/min、40cm/min 和45cm/min 三個水平。

圖2 窄間隙埋弧焊三維實體模型

2 有限元模擬結果及分析

2.1 焊接速度對焊件溫度場影響規律

以焊接速度為40cm/min 時為例，分析焊接過程中焊縫的溫度場分布特征與變化規律。焊接過程中的溫度場云圖如圖3 所示，此時焊接熱源沿著焊縫從左至右移動，熱源經過時材料熔化形成熔池，溫度最高達到2102℃。焊縫熱影響區的溫度呈現弧形分布的特征，且溫度隨著焊縫距離的增加而降低，熱源前端的溫度梯度較大，后端的溫度梯度較小。同時，后一道焊縫在焊接過程中對前一道焊縫有回火作用，這在一定程度上減弱了焊接殘余應力對焊件性能產生的影響。

圖3 焊接過程中焊件溫度場云圖

為進一步分析窄間隙埋弧焊焊接過程中焊接速度對焊縫及其附近區域溫度場的影響，模擬分析三個不同焊接速度（35cm/min、40cm/min、45cm/min）下的窄間隙埋弧焊焊接過程。為了更加直觀展現焊接速度對溫度場的影響規律，選取焊縫附近5 處特征點，如圖4 所示，對比分析不同焊接速度下各特征點處的熱循環曲線。圖5 展示了各特征點在不同焊接速度下的熱循環曲線，由橫向分布的特征點1、2、5可以看出，距離焊縫越遠，焊接過程中溫度越低，特征點1 最高溫度在450℃左右，位于焊縫處的特征點5 最高溫度在2200℃左右。而縱向分布的特征點3、4、5 的最高溫度相差不大，原因是縱向特征點處于熱源移動的路徑上，導致溫度偏高。在不同焊接速度下，各個特征點的熱循環曲線變化趨勢相近，但焊接速度越低，特征點的最高溫度越高。這是由于低焊接速度會使得該區域的加熱時間更長，即高溫停留時間變長。需要注意的是，更長的高溫停留時間有利于提高焊后回火效果，從而降低焊接殘余應力。

圖4 焊件不同部位的特征點

圖5 不同焊接速度下各特征點的熱循環曲線

2.2 焊接速度對應力場影響規律

焊接時加熱區域狹窄和溫度梯度不均勻會引起殘余應力，殘余應力會使構件的承載能力和斷裂韌性下降，本節進一步探討不同焊接速度下焊件殘余應力場的分布規律。圖6 為焊接速度40cm/min 下的不同時刻的應力場云圖，焊接過程中殘余應力橫向沿焊縫呈對稱分布。圖6a 為第一道焊縫焊接完成時刻，此時熱源從焊縫前端移動至后端，熔池區域由于處于液態，殘余應力較低，僅為7.5MPa。遠離熱源處的焊縫部位由于冷卻收縮使得殘余應力逐漸增加，其值在137～202MPa 之間。焊接坡口兩側的壁面和焊件上表面存在應力集中，值為169～234MPa。最大應力出現在焊件周圍棱角上，這是由于模擬時在該處施加了位置限制的邊界條件而導致應力偏大。圖6b為焊接剛完成時的應力分布情況，此時殘余應力的分布有明顯的規律，距離焊接熱源越遠則焊接殘余應力越大，最小值位于還未凝固的焊縫處，僅為6.9MPa。隨著焊接的結束，焊件在余熱的作用下進行自回火。如圖6c 所示，當焊件冷卻至殘余應力趨于穩定后，殘余應力分布均勻，焊縫處未出現應力集中，整體應力在300MPa 左右。

圖6 不同時刻焊件應力場云圖

圖7a～7c 展示了不同焊接速度下的殘余應力云圖，可以看出，焊件的殘余應力在三種焊接速度下均呈現均勻分布，焊縫及其附近區域的殘余應力穩定在300MPa 左右。隨著焊接速度的增加，焊件的殘余應力呈增大趨勢，但增加幅度不大，最大等效應力值由453MPa 增大到458MPa。這是由于焊接速度越低，焊縫處高溫停留時間越長，有利于焊后自回火。然而焊接速度過低會導致熔池寬度與深度增大，增加焊縫的稀釋率，不利于焊接過程的穩定性。并且溫度過高、高溫停留時間過長易造成焊縫熱影響區晶粒粗化，使焊接接頭的力學性能下降，因此焊接速度即不能過小也不能過大。

圖7 不同焊接速度下的殘余應力場

3 結論

本文基于有限元模擬的方法，研究了窄間隙埋弧焊焊接過程中溫度場及殘余應力場的分布特征與變化規律，對比分析了焊接速度對溫度與殘余應力的影響規律，可得出如下結論。

（1）窄間隙埋弧焊焊接過程中，焊接速度的降低使得焊縫區域的加熱時間延長，導致各特征點的溫度更高，高溫停留時間更長，在一定程度上有利于焊后自回火。

（2）焊接過程中，熔池區域應力較低而遠離熱源的區域應力相對較高，焊接坡口兩側的壁面存在一定應力集中。焊接速度導致的溫度場變化會進一步影響焊件的殘余應力分布，在一定范圍內，較慢的焊接速度能夠得到較小的焊接殘余應力。