陳國(guó)慶，邢紫麒，祖松鶴，張戈，滕新顏

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150001；2.中鐵科工集團(tuán)軌道交通裝備有限公司,武漢 430223)

0 前言

鋼橋的制造直接反映出一個(gè)國(guó)家的工業(yè)化水準(zhǔn)，Q345qD鋼屬于橋梁的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)鋼，廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)及鐵道工程之中[1-3]。T形焊接接頭作為梁類(lèi)等空間結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的連接形式，其接頭強(qiáng)度直接決定著整體結(jié)構(gòu)的工作承載能力，是考核橋梁質(zhì)量最為關(guān)鍵的因素之一[4-5]。

結(jié)構(gòu)鋼的性能往往與其組織密切相關(guān)，焊接接頭組織轉(zhuǎn)變常受焊接溫度場(chǎng)的直接影響，因此有必要針對(duì)結(jié)構(gòu)鋼研究其多層多道焊接接頭溫度場(chǎng)，并分析不同焊層的相互熱作用。胡龍等人[6]應(yīng)用有限元模型模擬計(jì)算描述Q345qD鋼焊接的溫度場(chǎng)并預(yù)測(cè)接頭組織形貌，其結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。雷洋洋等人[7]使用Marc有限元模擬軟件探究Q355耐候鋼厚板多層焊接溫度場(chǎng)演變規(guī)律。Weingrill等人[8]使用SYSWELD對(duì)60E1型材和R350HT鋼軌的前十層窄間隙多層氣體保護(hù)焊進(jìn)行三維瞬態(tài)有限元模擬，以研究熱影響區(qū)內(nèi)溫度場(chǎng)并推斷相成分演變。Lin等人[9]利用ANSYS對(duì)316L不銹鋼板多層激光-電弧復(fù)合焊接進(jìn)行了熱-力耦合有限元模擬，進(jìn)而闡明微觀(guān)組織形成機(jī)理。

文中以Q345qD鋼T形接頭多層焊接角焊縫為研究對(duì)象，使用Abaqus有限元軟件建立數(shù)值模型，分析不同焊層溫度變化，并探究焊接過(guò)程中不同焊層間相互作用與顯微組織之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

ER50-6焊絲向焊縫中引入Si，Mn和Cr等元素，極大地提升接頭低溫沖擊韌性[10]，適用于低碳鋼的多層多道焊接，因此選用直徑為1.2 mm的ER50-6焊絲進(jìn)行焊接試驗(yàn)。選取熱軋態(tài)的Q345qD鋼為試板，通過(guò)機(jī)械銑切加工成尺寸為350 mm×150 mm×24 mm的立板和350 mm×350 mm×24 mm的底板。所用焊絲與母材成分如表1所示。

表1 焊絲與母材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 工藝方案

對(duì)Q345qD立板下端單側(cè)加工45°的V形坡口，雙側(cè)施焊。焊前用丙酮清理坡口去除水分、油污以及鐵銹等。在坡口側(cè)采用合適的熔化極氣體保護(hù)焊工藝焊接3層，并以此為主要研究對(duì)象，分別為打底層、填充層、蓋面層，其具體的工藝參數(shù)及使用熱電偶實(shí)現(xiàn)層間溫度控制結(jié)果如表2所示。在垂直于焊接前進(jìn)方向上截取部分試樣如圖1所示，使用180號(hào)～5000號(hào)砂紙對(duì)焊縫及附近母材逐級(jí)打磨，并利用2.5 μm金剛石拋光劑拋光20 min制備金相試樣，使用4%的硝酸酒精溶液對(duì)金相試樣進(jìn)行腐蝕，使用VHX-1000E超景深光學(xué)金相顯微鏡觀(guān)察坡口側(cè)焊接接頭的顯微組織。

表2 焊接工藝參數(shù)

圖1 T形焊接接頭橫截面示意圖(mm)

使用Abaqus有限元模擬軟件,依據(jù)Q345qD鋼T形接頭多層焊接的坡口形貌以及焊接次序建立幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了提高模擬過(guò)程中的計(jì)算速率，同時(shí)保證計(jì)算準(zhǔn)確性，焊縫熱影響區(qū)及其附近設(shè)置較小的網(wǎng)格，而距離焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域設(shè)置較大的網(wǎng)格，母材及焊絲熱物理參數(shù)如表3所示[11]。

表3 ER50-6和Q345qD鋼的熱物理參數(shù)

1.2.1熱源模型

考慮到熔化極氣體保護(hù)焊熔池前端溫度上升迅速，同時(shí)后端降溫緩慢，因此選取雙橢球體熱源模擬焊接電弧能量[12]。雙橢球體熱源由兩個(gè)尺寸不同的半橢球拼合而成，如圖2所示，其熱源表達(dá)式為

圖2 雙橢球體熱源示意圖

(1)

式中：qf和qr是前后兩個(gè)半橢球的熱流密度分布函數(shù)；af和ar是前后兩個(gè)半橢球的x方向上的半軸長(zhǎng)度；b和c分別是前后兩個(gè)半橢球的y方向及z方向上的兩個(gè)半軸長(zhǎng)度；ff和fr為前后兩個(gè)半橢球占熱輸入的比例，ff+fr=2。

在多層焊接模擬過(guò)程中不同焊層焊接工藝參數(shù)與實(shí)際工藝參數(shù)保持一致，所選用的有限元熱源模型尺寸選擇如表4所示。

表4 熱源模型尺寸 mm

1.2.2初始條件及邊界條件

采用ABAQUS進(jìn)行焊接瞬態(tài)熱分析時(shí)，需要給定初始溫度，因此假設(shè)實(shí)際焊接過(guò)程的初始溫度與室溫相同，為20 ℃。多層多道焊接溫度場(chǎng)模擬時(shí)，同時(shí)考慮對(duì)流換熱和輻射散熱，并將二者進(jìn)行整合，模擬計(jì)算時(shí)向模型表面單元施加對(duì)流換熱系數(shù)，模擬接頭對(duì)流散熱和輻射散熱情況，而模型的內(nèi)部只有熱傳導(dǎo)，不用考慮對(duì)流輻射等散熱。考慮到焊接過(guò)程的復(fù)雜性，在進(jìn)行焊接模擬時(shí)，對(duì)不涉及溫度或者對(duì)溫度場(chǎng)影響較小的因素進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，并對(duì)模型做了如下假設(shè)。

(1)模擬過(guò)程不考慮熔池流動(dòng)及熔池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)。

(2)材料連續(xù)和各向同性，高溫時(shí)仍作固態(tài)處理。

(3)焊接過(guò)程中熱輻射損失的熱量，通過(guò)加大表面對(duì)流系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(4)假定焊接過(guò)程中的焊接線(xiàn)速度一直恒定不變。

1.2.3熱源校核

圖3顯示了Q345qD鋼T形接頭焊接模擬結(jié)果。由圖可知，焊接熱源移動(dòng)過(guò)程中形成的熔池形貌與實(shí)際焊接過(guò)程近似。由于模擬過(guò)程中沒(méi)有考慮液態(tài)金屬的流動(dòng)作用，模擬得出的焊接熔池形貌都比較規(guī)則。通過(guò)圖3中的對(duì)比可知，焊接接頭的實(shí)際熔池形貌與有限元模擬結(jié)果雖然在局部存在一定差異，但整體的形貌擬合度較高，這也驗(yàn)證了熱源模型的準(zhǔn)確性。

圖3 實(shí)際焊縫形貌與模擬形貌對(duì)比

2 結(jié)果分析

2.1 焊縫顯微組織

焊后觀(guān)察發(fā)現(xiàn)焊縫成形良好，表面光滑，無(wú)未焊透和裂紋等缺陷(圖4)。Q345qD母材的顯微組織如圖4a所示，以條帶狀的鐵素體(F)和片層狀珠光體(P)為主，此外還伴隨少量細(xì)粒狀碳化物的析出，可以清晰地看到熱軋態(tài)Q345qD的軋制取向。焊縫顯微組織以?shī)W氏體冷卻轉(zhuǎn)變的鐵素體及珠光體為主，其中鐵素體可分為先共析鐵素體(PF)和針狀鐵素體(AF)。針狀鐵素體的形成與金屬氧化物的析出存在密切聯(lián)系，由于焊縫冷卻速度很快，高熔點(diǎn)化合物率先析出，形成以諸如SiO2，MnO2等為核心的復(fù)合析出相，充當(dāng)針狀鐵素體的形核核心[13]。凝固過(guò)程中以Cr和V元素為主元的金屬碳化物彌散分布，并成為熔池凝固的晶核，承擔(dān)細(xì)化焊縫晶粒的作用[14]。圖4b為打底層焊縫的顯微組織，其珠光體的含量相對(duì)較多。打底焊層靠近母材，母材含碳量較高使得焊縫整體含碳量增加，導(dǎo)致珠光體含量小幅增加，同時(shí)伴隨著羽毛狀上貝氏體(B)的形成。如圖4c所示，受到打底層保持一定余溫的影響，填充層焊縫前端過(guò)冷度小，轉(zhuǎn)變得到的先共析鐵素體相較打底層增多，而針狀鐵素體含量較少。如圖4d所示，最后一層蓋面層焊縫顯微組織中鐵素體與珠光體均勻分布，珠光體含量少于打底層但略高于填充層。

圖4 焊接接頭金相組織

2.2 焊接溫度場(chǎng)對(duì)接頭組織的影響

鋼材熔化極氣體保護(hù)焊是迅速升溫和降溫的過(guò)程，焊縫組織形貌受溫度場(chǎng)影響較大，多層焊中不同焊層間同樣存在相互的熱作用，因此有必要通過(guò)有限元仿真的方法對(duì)多層焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。

經(jīng)過(guò)去除坡口網(wǎng)格→添加打底層網(wǎng)格加熱冷卻→添加填充層網(wǎng)格加熱冷卻→添加蓋面層網(wǎng)格加熱冷卻的模擬步驟計(jì)算得出焊接溫度場(chǎng)分布云圖,如圖3所示，依次為熔池實(shí)際形貌、打底層、填充層及蓋面層的橫截面，灰色區(qū)域表示已達(dá)到材料熔點(diǎn)形成熔池。打底層熔池范圍最大，在整個(gè)焊縫尺寸占比最多，主要承擔(dān)連接T形接頭兩塊板材的作用。填充層與蓋面層熔池形貌接近半月?tīng)?，主要承?dān)填充焊縫金屬以及實(shí)現(xiàn)焊腳平滑過(guò)渡的作用。這與金相觀(guān)察的焊縫截面形貌相匹配，表明焊接模擬的結(jié)果可以為實(shí)際焊接提供指導(dǎo)。在3個(gè)焊層與熱影響區(qū)的焊接模擬網(wǎng)格中選取4點(diǎn)，并提取熱循環(huán)曲線(xiàn)，橫截面節(jié)點(diǎn)具體位置如圖5所示。

圖5 橫截面節(jié)點(diǎn)位置

2.2.1溫度場(chǎng)對(duì)焊縫組織的影響

圖6和圖7為焊縫熱循環(huán)曲線(xiàn)及焊縫掃描電鏡顯微組織形貌。圖6a對(duì)應(yīng)打底焊焊層，可以觀(guān)察到點(diǎn)1的最高溫度達(dá)到1 591 ℃并迅速降溫，在施焊填充層后溫度再次升至659 ℃，在施焊蓋面層后溫度上升至467 ℃，隨著焊接過(guò)程結(jié)束溫度緩慢下降至室溫。打底層焊縫與室溫母材之間過(guò)冷度大，導(dǎo)致第一階段冷卻速度較大，并且Q345qD鋼焊縫中珠光體的含量與冷卻速度正相關(guān)，這也是打底焊層珠光體含量較多的另一個(gè)原因。此外上貝氏體的形成溫度約為350～550 ℃，與打底焊第三次熱循環(huán)相吻合。如圖7a所示，打底層焊縫生成羽毛狀的上貝氏體，同時(shí)經(jīng)歷過(guò)兩次后熱處理，打底層晶粒也得到一定程度的細(xì)化。

圖6b顯示位于填充層的點(diǎn)2最高溫度達(dá)到1 926 ℃并快速降溫，在施焊打底層后溫度升至Q345qD鋼的正火溫度以上并保持較長(zhǎng)時(shí)間，使得填充層經(jīng)歷二次熱循環(huán)重新奧氏體化，并在降溫過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)閳D7b中塊狀的先共析鐵素體以及珠光體。焊縫金屬和SiO2，MnO2等高熔點(diǎn)化合物之間存在線(xiàn)膨脹系數(shù)的差異，因此會(huì)在二者之間形成一定體積的空洞，由此釋放出的應(yīng)變能為針狀鐵素體的形核提供驅(qū)動(dòng)力[13]。但在這種近似正火的熱處理影響下，釋放的能量甚至?xí)哂趬K狀鐵素體的形核驅(qū)動(dòng)力，這導(dǎo)致打底層中鐵素體同樣容易形成塊狀鐵素體。

圖6 焊縫熱循環(huán)曲線(xiàn)

圖7 焊縫掃描電鏡顯微組織形貌

圖6c顯示位于蓋面層點(diǎn)3快速升溫最高至2 222 ℃后迅速降溫，并且不再受后續(xù)焊接過(guò)程的影響。由圖7c可以看到鐵素體與珠光體均勻分布，焊縫中得到的針狀鐵素體可以有效阻止裂紋的擴(kuò)展。

2.2.2溫度場(chǎng)對(duì)熱影響區(qū)組織的影響

從圖8可以看出熱影響區(qū)經(jīng)歷3次升溫階段，受打底層焊接影響的溫度可達(dá)到AC3溫度線(xiàn)以上，并且受其它兩層焊接的影響，熱影響區(qū)長(zhǎng)時(shí)間處于被加熱的狀態(tài)，導(dǎo)致熱影響區(qū)熱輸入增大、保溫時(shí)間延長(zhǎng)。圖9為試樣熱影響區(qū)在掃描電子顯微鏡下組織分布。經(jīng)顯微組織分析，此處珠光體和鐵素體組織均勻且細(xì)小，相當(dāng)于正火組織。本應(yīng)該粗大的晶粒實(shí)際長(zhǎng)大并不嚴(yán)重，這是母材中V等元素的碳化物彌散分布在晶界，抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大所導(dǎo)致的[15-16]，最終可以得到相對(duì)細(xì)小的鐵素體和珠光體，并伴隨細(xì)粒狀貝氏體的產(chǎn)生。

圖8 熱影響區(qū)熱循環(huán)曲線(xiàn)(點(diǎn)4)

圖9 焊接熱影響區(qū)顯微組織

3 結(jié)論

(1)對(duì)Q345qD鋼T形接頭角焊縫使用熔化極氣體保護(hù)焊施焊3層，焊縫成形良好表面光滑，不存在未焊透或裂紋等焊接缺陷。

(2)焊縫顯微組織以鐵素體與珠光體為主，其中鐵素體主要形態(tài)為塊狀與針狀。打底焊層受較快冷卻速度的影響珠光體含量相對(duì)較高，填充層中奧氏體傾向于轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀鐵素體，其珠光體含量相對(duì)較少，而蓋面層珠光體鐵素體均勻分布。

(3)由模擬結(jié)果可知打底層迅速升溫至1 591 ℃，降溫后受到后兩層焊接過(guò)程的反復(fù)升溫影響，導(dǎo)致晶粒細(xì)化；填充層受到后一層近似正火的熱處理更容易轉(zhuǎn)變成塊狀鐵素體；蓋面層在預(yù)熱的金屬表面施焊最高溫度可達(dá)2 222 ℃；熱影響區(qū)被加熱到AC3溫度以上，并被延長(zhǎng)保溫時(shí)間，長(zhǎng)時(shí)間處于被加熱狀態(tài)中。