劉兆全,張玉妥,董文超

(1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院,沈陽110159;2.中國科學院金屬研究所 沈陽材料科學國家(聯(lián)合)實驗室,沈陽 110016)

310S奧氏體不銹鋼TIG自熔焊熱源模型與溫度場模擬

劉兆全1,張玉妥1,董文超2

(1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院,沈陽110159;2.中國科學院金屬研究所 沈陽材料科學國家(聯(lián)合)實驗室,沈陽 110016)

采用SYSWELD有限元軟件對12mm厚的310S奧氏體不銹鋼平板TIG自熔焊焊接過程進行了模擬研究。通過建立材料物性數(shù)據(jù)庫,選用雙橢球模型作為焊接模型,以對流和輻射作為模擬工件與外部環(huán)境熱交換的主要方式,將模擬獲得的焊縫截面形貌、焊接熱循環(huán)曲線和實驗獲得的焊縫截面形貌、焊接熱循環(huán)曲線對比,建立了焊接熱源模型,獲得了TIG焊溫度場分布。研究表明:建立的焊接熱源模型擬合良好,參數(shù)選取的較為合理;雙橢球熱源模型能較好的模擬310S奧氏體不銹鋼TIG焊接過程的溫度變化。

SYSWELD;數(shù)值模擬;熱源模型

310S奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的高溫力學性能及抗高溫氧化性能,作為結(jié)構(gòu)材料廣泛用于石化工業(yè)[1-3]。在這些石化工業(yè)設備的制造和維護過程中,焊接是不可或缺的一部分。310S奧氏體不銹鋼通常采用鎢極惰性氣體保護焊(Tungsten Inert Gas,TIG)方法進行焊接。為了解在焊接過程中試板內(nèi)部的溫度變化,需要建立合適的310S奧氏體不銹鋼的TIG焊接熱源模型。模擬的焊縫截面形貌與實驗的焊縫截面形貌是否匹配、模擬的焊接溫度場與實驗測得的溫度場是否吻合、焊接熱源參數(shù)選取的是否合理,直接關系著建立的焊接熱源模型是否準確可靠。

本文采用SYSWELD有限元軟件,模擬分析了310S奧氏體不銹鋼TIG焊接過程中的溫度變化,通過與實測焊縫截面熔池形貌、焊接溫度場熱循環(huán)曲線對比,校核并建立了310S奧氏體不銹鋼的TIG自熔焊焊接熱源模型,獲得了溫度場分布。

1 焊接有限元模型

1.1 溫度場

在焊接溫度場計算過程中,由焊接電弧產(chǎn)生的熱量在被焊工件內(nèi)部的傳導可用非線性傳熱方程描述[4]:

(1)

式中：T為溫度；t為時間；k是熱導率；cp是比熱容；ρ是密度；Qv是熱源項；x、y、z為3個坐標軸。

1.2 材料熱物性參數(shù)

材料熱物性參數(shù)主要包括熱導率、密度、比熱等。經(jīng)測試,310S奧氏體不銹鋼的固相線溫度為1383℃,另外,還測試了不同溫度下310S不銹鋼的比熱、熱導率等。基于SYSWELD軟件格式,建立了310S奧氏體不銹鋼數(shù)據(jù)庫。不考慮溫度變化對310S奧氏體不銹鋼的密度的影響,其值為7.97g/cm3。表1為不同溫度下的310S奧氏體不銹鋼的比熱和熱導率。

1.3 雙橢球熱源模型

利用SYSWELD有限元軟件對焊接熱源模型進行擬合。建立合適的焊接熱源模型必須考慮兩點:(1)有效熱能,即熱源作用在焊件上的實際能量;(2)作用于焊件上的熱量的分布情況。相關研究表明[5],對于TIG焊,雙橢球熱源更能準確地反應焊接過程中的熱量分布。因此,本文選用雙橢球體分布熱源模型,如圖1所示。

表1 310S奧氏體不銹鋼的比熱、熱導率

圖1 雙橢球體熱源模型示意圖

作用于焊件上的體積熱源分為前、后兩部分。其前后部分橢球體熱流密度公式分別為：

(2)

(3)

式中:af、ar分別為雙橢球體的前、后半軸參數(shù);b、c分別為焊接熔池半熔寬和半熔深;ff、fr分別是前、后半球體內(nèi)熱輸入的份額;Q為電弧有效熱功率,Q=ηUI,η是焊接熱效率,U、I分別為焊接電壓和焊接電流。實際上,焊接熱源模型的擬合,就是對模型中的參數(shù)af、ar、b、c等擬合的過程,使得模擬和實測的熔池形貌及焊接熱循環(huán)曲線相吻合。

1.4 邊界條件

實際焊接工程中,被焊工件與外部環(huán)境(空氣)進行熱交換的方式主要有兩種,對流和輻射[4,6]。

被焊工件與周圍環(huán)境(空氣)之間通過對流方式的熱交換可用Newton冷卻方程描述:

qa=-ha(Ts-Ta)

(4)

式中:qa是工件與周圍空氣之間的熱交換;ha是對流交換系數(shù),其值為25W/(m2·K);Ta是空氣的溫度(20℃);Ts是工件表面溫度。

通過熱輻射損失的熱量qr可用以下公式計算:

qr=-σε[(Ts+273)4-(Ta+273)4]

(5)

式中:ε是熱輻射系數(shù),在計算中取值0.8;σ是Stefan-Boltaman常數(shù),其值為5.67×10-8(J·K-4·m-2·s-1);上述的qr區(qū)別于后半橢球熱流密度的qr。

2 310S鋼TIG自熔焊熱源模型

采用如表2所示的TIG焊接工藝參數(shù)進行焊接實驗,然后對焊縫截面進行腐蝕,獲得焊縫形貌。通過對比模擬和實驗獲得的焊縫截面形貌是否吻合來建立310S奧氏體不銹鋼TIG自熔焊焊接熱源模型。采用SYSWELD軟件中的熱源擬合工具(Heat Source Fitting,HSF)反復地模擬穩(wěn)態(tài)焊接過程,初步獲得焊接熱源模型參數(shù)。

表2 TIG自熔焊焊接工藝參數(shù)

圖2為模擬和實驗獲得的焊接接頭截面形貌對比,其中,圖2a為模擬獲得的焊縫截面形貌,熔池液相線溫度為1450℃,圖2b為實驗獲得的焊縫截面形貌。

圖2 焊縫截面形貌

表3為圖2中焊縫的熔深、熔寬的模擬和實驗值。從圖2和表3可以發(fā)現(xiàn),模擬的焊縫截面形貌和實驗的焊縫截面形貌一致。此時,焊接熱源模型中各參數(shù)值如表4所示。

表3 焊縫形貌比較 mm

表4 焊接熱源模型的主要參數(shù) mm

3 310S鋼TIG自熔焊焊接溫度場模擬

為了驗證建立的焊接熱源模型的準確性,獲得310S奧氏體不銹鋼TIG焊溫度場分布,開展了310S鋼TIG自熔焊非穩(wěn)態(tài)過程的數(shù)值模擬,通過模擬和實測的焊接溫度場來校核所建立的焊接熱源模型的準確性。焊前,將310S不銹鋼試板表面清洗干凈,然后在試板表面選取3個測溫點(如圖3所示),表5為3個測溫點在焊接試板上的幾何位置。采用點焊機將NiCr-NiSi熱電偶點焊在測溫點,采用ADAM測溫模塊測量3個點在焊接過程中的溫度變化。將實測焊接試板上3個點的焊接熱循環(huán)曲線和模擬獲得的結(jié)果進行比較,驗證所建立的焊接熱源模型的準確性。

表5 測溫點幾何坐標 mm

圖4為3個測溫點實驗與模擬獲得的焊接熱循環(huán)曲線的對比。從圖中可以發(fā)現(xiàn),采用上述建立的焊接熱源模型模擬獲得的各個測溫點熱循環(huán)曲線與實測結(jié)果吻合較好,通過峰值溫度對比發(fā)現(xiàn)，三個測溫點的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的偏差在2.1%以下。可見,焊接熱源模型和模型參數(shù)選取的較為合理,已建立的雙橢球焊接熱源模型是可靠的,可以較準確地模擬310S奧氏體不銹鋼TIG焊接溫度場分布。利用該模擬結(jié)果,可以抽取焊接接頭不同位置的焊接熱循環(huán)曲線,特別是焊接熱影響區(qū)中的熱循環(huán)曲線,為進一步研究310S奧氏體不銹鋼焊接性、分析合金元素對焊接熱影響區(qū)組織和性能的影響奠定基礎。

圖3 熱電偶測量位置

圖4 實驗與模擬獲得的焊接熱循環(huán)曲線對比

4 結(jié)論

(1)采用有限元方法模擬了穩(wěn)態(tài)焊接過程,通過擬合模擬與焊接實驗獲得的焊縫截面形貌,建立了310S奧氏體不銹鋼自熔焊雙橢球熱源模型。

(2)模擬獲得了310S奧氏體不銹鋼TIG自熔焊焊接過程溫度場,模擬的焊接熱循環(huán)曲線與實測的焊接循環(huán)曲線吻合較好。

[1] 陳文革,何建祥,謝小彬,等.高溫時效處理對310S不銹鋼焊接接口性能的影響[J].材料熱處理學報,2013,34(4):95-99.

[2] 李陵川,朱日彰.310不銹鋼在H2S/H2/CO2混合氣氛中的高溫腐蝕[J].金屬學報,1996,32(3):284-288.

[3] XU Ming,LI Liu-he,LIU You-ming,et al.Mechanism of mechanical property enchancement in nitrogen and titanium implanted 321 stainless steel[J],Materials Science and Engineering A,2006,425(1-2):1-6.

[4] 朱瑞棟.焊接殘余應力對緩沖梁結(jié)構(gòu)應力腐蝕性能的影響[D].沈陽:中國科學院金屬研究所,2014.

[5] 張書權(quán),王仲玨.基于SYSWELD的T型接頭溫度場的數(shù)值模擬[J].金屬鑄鍛焊技術(shù),2011,40(7):133-135.

[6] 譚兵,劉紅偉.基于SYSWELD的鋁合金角接接頭激光-MIG復合焊變形模擬[J].兵器材料科學與工程,2011,34(4):48-52.

(責任編輯：王子君)

SimulationofHeatSourceModelandTemperatureFieldof310SAusteniticStainlessSteelbyTIGWeldingMethod

LIU Zhaoquan1,ZHANG Yutuo1,DONG Wenchao2

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China)

The simulation of TIG welding process of 12mm thickness 310S austenitic stainless steel plate by finite element software SYSWELD was studied.The material thermophysical properties database of 310S stainless steel was established.Based on selection double ellipsoidal model as the model of welding,convection and radiation as the main method of the heat exchange,the weld cross-section morphology and the welding thermal cycle curve between simulation and experiment were compared.Finally,a double ellipsoid welding heat source model for TIG welding of 310S austenitic stainless steel was established and calibrated.Results showed that the double ellipsoid welding heat source model established was more reliable.It can accurately simulate the temperature changes of 310S stainless steel TIG welding process.

SYSWELD;numerical simulation;heat source model

TG444+.74

A

2016-08-26

劉兆全(1991—)，男，碩士研究生；通訊作者：張玉妥(1966—)，教授，博士，研究方向：金屬材料制備工藝。

1003-1251(2017)05-0053-04