張勝躍，卿 黎，馮秋霞，張宇棟

（1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074）

焊接工藝參數(shù)對12Cr1M oV異質(zhì)接頭焊接殘余應(yīng)力影響分析*

張勝躍1，卿 黎1，馮秋霞2，張宇棟1

（1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074）

選取12Cr1MoV異質(zhì)接頭作為試驗(yàn)材料，研究了焊接電壓、焊接電流和焊前預(yù)熱溫度三種主要的焊接工藝參數(shù)之間的耦合關(guān)系，并通過試驗(yàn)和運(yùn)用有限元法對焊接過程進(jìn)行實(shí)例分析與模擬驗(yàn)證。結(jié)果表明：焊接殘余應(yīng)力分布情況曲線特征與模擬結(jié)果相吻合；焊接殘余應(yīng)力模擬影響區(qū)域與試驗(yàn)結(jié)果測量值相符；焊接電壓、焊接電流能夠較為集中的進(jìn)行熱輸入，其與焊接殘余應(yīng)力線性正相關(guān)，焊前預(yù)熱溫度通過與焊接電壓、焊接電流之間的交互作用會對焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生一定的影響。

焊接；12Cr1MoV異質(zhì)接頭；焊接工藝參數(shù)；有限元法；焊接殘余應(yīng)力

12Cr1MoV鋼具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、韌性及抗熱疲勞性能，是一種珠光體體耐熱鋼，且易于加工成形[1]，目前廣泛應(yīng)用于電站鍋爐中。由于其母材及焊材金屬性能不同，會導(dǎo)致其異質(zhì)接頭產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，且該殘余應(yīng)力較為復(fù)雜，從而會對構(gòu)件的承載能力造成影響[2-3]。為提高12Cr1MoV異質(zhì)接頭的焊接質(zhì)量，本研究以整個(gè)工藝流程作為切入點(diǎn)，分析何種焊接參數(shù)對12Cr1MoV異質(zhì)接頭的焊接殘余應(yīng)力會造成影響，結(jié)合有限元法對實(shí)際焊接環(huán)境進(jìn)行模擬[4]，并采用正交設(shè)計(jì)法對影響12Cr1MoV異質(zhì)接頭的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行組合分析。通過對試驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬的分析[5-6]，為合理選擇焊接工藝參數(shù)，提高12Cr1MoV異質(zhì)接頭的焊接質(zhì)量提供了方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的母材取自某鋼廠生產(chǎn)的12Cr1MoV鋼板（12Cr1MoV異質(zhì)接頭由高韌性淬火回火低合金鋼制造[7]，組織為鐵素體）制取試件。規(guī)格為300mm×150mm×20mm，測量焊接殘余應(yīng)力采用盲孔法，用Sigmar ASDM2-16型8路應(yīng)變同步采集系統(tǒng)和Sigmar綜合測試平臺測得。試驗(yàn)材料的化學(xué)成分[8]與力學(xué)性能見表1和表2。焊條成分可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如降低C含量，增加Mo和V的含量，可以提高其焊接性能和力學(xué)性能。其中增加Mn和Si含量可以提高12Cr1MoV鋼的淬透性；增加V和Cr可以控制晶粒度，提高其韌性，選用的12Cr1MoV力學(xué)性能要略高于焊條材料。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分 %

表2 試驗(yàn)材料的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)工藝方案

本次試驗(yàn)采用3個(gè)小組無交互作用的正交設(shè)計(jì)，使用相同焊條和相同的母材分別在不同的焊接參數(shù)條件下完成，試驗(yàn)實(shí)施方案見表3，詳細(xì)焊接工藝參數(shù)見表4。切割成V形坡口，鎢極氬弧焊接工藝，20%CO2+80%Ar混合氣體做保護(hù)，焊絲為R317。采用16道焊接工藝（第1道焊為打底焊）焊成。焊接電壓20～30 V，焊接電流110～150 A，焊前預(yù)熱溫度 250～300℃，焊后進(jìn)行770℃、保溫1 h的回火熱處理[9-10]。焊接接頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表3 試驗(yàn)方案

表4 焊接工藝參數(shù)

圖1 焊接接頭結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)分析

2.1 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述試驗(yàn)工藝測得在不同電壓、電流和焊前預(yù)熱溫度組配下的焊接殘余應(yīng)力值見表5。從表5可以看出，2#組水平搭配A1，B2，C2，即焊接電壓設(shè)置20 V、焊接電流設(shè)置130 A、焊前預(yù)熱260℃時(shí)，測得的焊接殘余應(yīng)力最小。為更好地對比分析結(jié)果，取0#組（各個(gè)參數(shù)為中間值）為標(biāo)準(zhǔn)試件，對比其余9組試驗(yàn)結(jié)果：①0#組與1#組對比可知，當(dāng)分別降低焊接電壓、焊接電流和焊前預(yù)熱溫度時(shí)，焊接殘余應(yīng)力相應(yīng)也會減小，減小幅度為28.7%。②0#組與2#組對比可知，當(dāng)焊接電流和焊前預(yù)熱溫度相同時(shí)，降低焊接電壓，焊接殘余應(yīng)力減小，減小幅度為32.8%。③0#組與3#組對比可知，當(dāng)分別增加焊接電流和焊前預(yù)熱溫度，而降低焊接電壓時(shí)，焊接殘余應(yīng)力有所減小，減小幅度為20.5%。④0#組與4#組對比可知，當(dāng)焊接電壓和焊前預(yù)熱溫度不變時(shí)，降低焊接電流，焊接殘余應(yīng)力有所減小，減小幅度為11.8%。⑤0#組與5#組對比可知，當(dāng)焊接電壓、焊接電流保持不變時(shí)，只增加焊前預(yù)熱溫度，焊接殘余應(yīng)力減小，減少幅度為4.2%。⑥0#組與6#組對比可知，當(dāng)焊接電壓不變時(shí)，焊接電流增加，焊前預(yù)熱溫度減少，焊接殘余應(yīng)力有所增加，增加幅度為2.3%。⑦0#組與7#組對比可知，當(dāng)增加焊接電流和焊前預(yù)熱溫度時(shí)，減少焊接電流時(shí)，焊接殘余應(yīng)力增加，增加幅度為10%。⑧0#組與8#組對比可知，當(dāng)焊接電壓增加，焊前預(yù)熱溫度減小，焊接電流不變時(shí)，焊接殘余應(yīng)力增加，增加幅度為14.7%。⑨0#組與9#組對比可知，當(dāng)增加焊接電壓和焊接電流，焊前預(yù)熱溫度不變時(shí)，焊接殘余應(yīng)力增加，增加幅度為24.1%。

表5 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2 利用有限元法對工藝參數(shù)進(jìn)行模擬分析

以上試驗(yàn)是基于正交設(shè)計(jì)對12Cr1MoV異質(zhì)接頭焊接過程中的三個(gè)影響因素進(jìn)行了影響分析，試驗(yàn)得出焊接殘余應(yīng)力[11-12]。本研究利用有限元焊接軟件Simufact.welding進(jìn)行分析，有限元軟件模擬焊接的最大特點(diǎn)是動態(tài)模擬全焊接過程，在焊接過程中，溫度場與應(yīng)力應(yīng)變場是雙向耦合的。為更直觀反映出采用不同焊接工藝參數(shù)的焊接殘余應(yīng)力，模擬試驗(yàn)采用上述正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)中的1#組和9#組的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行模擬（設(shè)置并使有限元焊接工藝參數(shù)與正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的焊接工藝參數(shù)設(shè)置保持一致）如圖2所示，對比可知：9#組的焊接殘余應(yīng)力明顯減少。

圖2 1#組和9#組的有限元焊接殘余應(yīng)力模擬

不同焊接工藝參數(shù)條件下的異質(zhì)接頭橫向和縱向方向的焊接殘余應(yīng)力分布情況曲線如圖3所示。 由圖 3（a）和圖 3（b）可知， 圖 3（a）中的焊接電壓的焊接橫向應(yīng)力和圖3（b）中焊接電壓的焊接縱向應(yīng)力，對于最大電壓（30 V）和最小電壓（20 V）的設(shè)置值，橫向應(yīng)力曲線中兩條應(yīng)力分布曲線具有一定的獨(dú)立性，縱向應(yīng)力曲線出中兩條應(yīng)力分布曲線峰值差較大，說明焊接工藝參數(shù)中焊接電壓對焊接殘余應(yīng)力的影響較大；由圖3（c）和圖3（d）可知，圖3（c）中的焊接電流的焊接橫向應(yīng)力和圖3（d）中焊接電流的焊接縱向應(yīng)力，對于最大電流（140 A）和最小電流（120 A）的設(shè)置值，橫向應(yīng)力曲線中兩條應(yīng)力分布曲線具有一定的相似性，縱向應(yīng)力曲線出中兩條應(yīng)力分布曲線峰值差不大，說明焊接工藝參數(shù)中焊接電壓對焊接殘余應(yīng)力的影響不如焊接電壓對焊接殘余應(yīng)力的影響； 由圖 3（e）和圖 3（f）可知， 圖 3（e）中的焊前預(yù)熱溫度的焊接橫向應(yīng)力和圖3（f）中焊前預(yù)熱溫度的焊接縱向應(yīng)力，對于最大預(yù)熱溫度（270℃）和最小預(yù)熱溫度（250℃）的設(shè)置值，橫向應(yīng)力曲線中兩條應(yīng)力分布曲線部分具有一定的重合，縱向應(yīng)力曲線出中兩條應(yīng)力分布曲線峰值差很小，說明焊接工藝參數(shù)中焊前預(yù)熱溫度對焊接殘余應(yīng)力的影響不如焊接電壓和焊接電流對焊接殘余應(yīng)力的影響。 對比圖3（a）、圖 3（c）和圖3（e）可知，在不同的焊接工藝參數(shù)設(shè)置下，橫向焊接殘余應(yīng)力在焊縫區(qū)的波動較大，12Cr1MoV和母材中橫向焊接殘余應(yīng)力波動較小，說明焊縫處的熱輸入較大時(shí)對橫向焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生一定的影響； 對比圖 3（b）、圖 3（d）和圖 3（f）可知，在不同的焊接工藝參數(shù)設(shè)置下，隨著熱循環(huán)不斷進(jìn)行，在第一道打底焊接時(shí)縱向焊接殘余應(yīng)力都有所增加，隨著熱循環(huán)的不斷加載，縱向焊接殘余應(yīng)力也隨之波動，且因焊接工藝參數(shù)設(shè)置的不同而波動幅度不同，其中縱向焊接殘余應(yīng)力對焊接電壓的增加波動較其他焊接參數(shù)而言最為敏感，反映出焊接電壓對熱輸入的影響較大。

圖3 不同焊接工藝條件下異質(zhì)焊接接頭橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力分布曲線

3 結(jié) 論

通過對比試驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方式，研究了焊接電壓、焊接電流和焊前預(yù)熱溫度三種主要的焊接工藝參數(shù)之間的耦合關(guān)系。

首先，以正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)對12Cr1MoV異質(zhì)接頭的焊接殘余應(yīng)力的測量結(jié)果為依據(jù)，并結(jié)合橫向和縱向方向的焊接殘余應(yīng)力分布情況曲線分析，定量與定性相結(jié)合的方式說明了焊接殘余應(yīng)力對焊接電壓、焊接電流和焊前預(yù)熱溫度三種主要的焊接工藝參數(shù)的敏感程度。

其次，通過試驗(yàn)和模擬印證了焊接電壓對12Cr1MoV異質(zhì)接頭的殘余應(yīng)力影響最大，焊接電流次之，焊前熱處理對焊接殘余應(yīng)力的影響相對較小的結(jié)果。

最后，通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案固定其他焊接工藝參數(shù)，結(jié)果表明焊接殘余應(yīng)力與電壓、電流線性正相關(guān)，焊前預(yù)熱溫度對焊接殘余應(yīng)力的相關(guān)性不明顯，但也是影響焊接殘余應(yīng)力的因素之一。這說明電壓、電流能夠較為集中的進(jìn)行熱輸入，焊前預(yù)熱只是被動地進(jìn)行物理加熱對焊接殘余應(yīng)力的影響有限，但與焊接電壓、焊接電流的交互作用下對焊接殘余應(yīng)力具有一定的影響。

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Influence ofW elding Process Parameters on 12Cr1M oV Heterogenic JointW elding Residual Stress

ZHANG Shengyue1,QING Li1,FENG Qiuxia2,ZHANG Yudong1
（1.Faculty of Land Resources Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China；2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences（Wuhan），Wuhan 430074,China)

In this article,it selected 12Cr1MoV heterogenic joint as experimentalmaterial,studied the coupling relationship among 3main welding parameters,including welding voltage,welding currentand pre-heating temperature before welding.The instance analysis and simulation verification were carried out for welding process through experiments and finite element method.The results showed that the curve characteristics of welding residual stress distribution and simulation results are identical with each other;simulation area of welding residual stress is consistentwith the resultsmeasured value;the welding voltage and welding current can be obtained at relatively concentrated heat input,it is the linear positive correlation with the welding residual stress.Before welding,the pre-heating temperature will have certain influence on welding residual stress through the interaction between welding voltage and welding current.

welding;12Cr1MoV heterogeneity joint；welding process parameters；finite elementmethod；welding residual stress

TG457.1

A

1001－3938（2015）11-0001-05

云南省教育廳科學(xué)研究基金重點(diǎn)項(xiàng)目“鍋爐壓力容器焊接缺陷及焊接接頭疲勞分析”（項(xiàng)目號KKJD201521001）；昆明理工大學(xué)自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目“鍋爐焊接缺陷的分析與安全評定”（項(xiàng)目號KKSY201321083）。

張勝躍（1990—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楹附咏Y(jié)構(gòu)可靠性。

2015-07-24

修改稿收稿日期：2015-09-28

謝淑霞