孫志鵬，盧玉秀，翟永軍，王欣

泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 山東泰安 271000

1 序言

不同于普通的機(jī)械加工方法，焊接是一個(gè)涉及電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的急冷急熱過(guò)程，在熱量傳輸過(guò)程中進(jìn)行著金屬的熔化與凝固，產(chǎn)生了復(fù)雜的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)[1]。精確地判斷焊接接頭的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布對(duì)指導(dǎo)焊接過(guò)程及控制焊接質(zhì)量具有重要的意義。除了繁瑣的試驗(yàn)操作之外，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬已成為一種研究焊接過(guò)程必不可少的方法[2]。本文以T形焊接接頭為例，對(duì)焊接過(guò)程的數(shù)值模擬進(jìn)行詳細(xì)介紹，為T(mén)形接頭的焊接提出合理化的建議。

2 T形焊接接頭的數(shù)值模擬

2.1 幾何模型的建立

結(jié)合實(shí)際焊接過(guò)程，用有限元分析軟件建立T形接頭幾何模型，如圖1所示。T形接頭為同種材料焊接，均選用低合金高強(qiáng)度鋼S355J2G3。其中，T形接頭長(zhǎng)為200m m，厚度為3m m，寬度分別為100mm和50mm，角焊縫的焊腳高度為3mm。在焊接過(guò)程中，由于焊縫及附近的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的變化比較明顯，所以為了保證計(jì)算精度，將焊縫及附近區(qū)域的網(wǎng)格劃分得非常細(xì)小。但是，網(wǎng)格劃分越細(xì)小，計(jì)算所需的時(shí)間就越長(zhǎng)，為了在保證精度的前提下，盡可能地節(jié)省計(jì)算時(shí)間，因此在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的網(wǎng)格劃分得比較粗大。

2.2 熱源模型

焊接熱過(guò)程具有不均勻性、瞬時(shí)性和快速移動(dòng)的特點(diǎn)，要能夠準(zhǔn)確地分析焊接在任一位置與任一時(shí)刻的應(yīng)力、變形和溫度分布，就必須選出符合實(shí)際的焊接熱源。相比于其他熱源模型，雙橢球熱源模型（見(jiàn)圖2）考慮了焊接熱源在深度方向的熱流分布，使其在寬度、長(zhǎng)度、深度方向均呈高斯分布，更適用于電弧沖力較大的焊條電弧焊[3-5]。在此模型中，熱源前后部分的能量分?jǐn)?shù)分別為f1和f2，且f1＋f2＝2。

圖2 雙橢球熱源模型

前1/4橢球的能量密度分布為

結(jié)合實(shí)際的焊接過(guò)程，采用數(shù)值模擬軟件對(duì)熱源模型進(jìn)行校核，保證最終所獲得的熔池形貌與實(shí)際相符（見(jiàn)圖3），最終得到雙橢球熱源的參數(shù)分別為Qf＝100.043W，Qr＝75.2198W，af＝3m，ar＝4m，b＝1.8m，c＝2m，power＝4000，焊接速度為10mm/s，焊件的初始溫度為20℃。

圖3 在線焊接接頭形貌

3 計(jì)算結(jié)果及分析

采用數(shù)值模擬軟件對(duì)T形接頭的整個(gè)焊接過(guò)程進(jìn)行模擬，分析焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布及組織成分變化，掌握T形接頭焊接的薄弱部位及工藝要點(diǎn)，對(duì)指導(dǎo)T形接頭的焊接具有重要意義。

3.1 溫度場(chǎng)分析

T形接頭不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布如圖4所示。由圖4可看出，t＝10s時(shí)焊接過(guò)程大概完成，并且隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，整個(gè)焊件的溫度越來(lái)越高。這主要是由于先焊金屬對(duì)后焊金屬有預(yù)熱作用，熱量積累使T形接頭的最高溫度也有所升高。但隨時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，焊接完成，焊件開(kāi)始冷卻，焊件的最高溫度又開(kāi)始下降。

圖4 T形接頭不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布

提取T形接頭同一位置不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布截面圖，如圖5所示。由圖5可看出，當(dāng)焊接到某一位置時(shí)，焊縫處的最高溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)，但由于熱量來(lái)不及擴(kuò)散，高于700℃的范圍比較小。隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，焊接熱源過(guò)后，焊縫處的溫度開(kāi)始急劇下降，但焊縫處高于700℃的區(qū)域要比之前有明顯的擴(kuò)大，即焊縫的熱影響區(qū)范圍擴(kuò)大。同時(shí)，提取焊縫中某一節(jié)點(diǎn)的溫度分布曲線，如圖6所示。由圖6可看出，當(dāng)t＝10s時(shí)此處的溫度達(dá)到最高，約為3800℃，然后溫度急劇下降到500℃以下，最后趨于穩(wěn)定。由此看出，焊接是一個(gè)快速加熱、冷卻的過(guò)程，為了保證焊接質(zhì)量可采用焊前預(yù)熱和焊后保溫的方式來(lái)降低焊件的冷卻速度，從而得到優(yōu)質(zhì)焊縫。

圖5 T形接頭同一位置不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布截面圖

圖6 T形接頭某一節(jié)點(diǎn)不同時(shí)刻的溫度分布曲線

3.2 組織成分變化

整個(gè)焊接過(guò)程除了溫度場(chǎng)的急劇變化之外，焊縫的組織成分變化對(duì)整個(gè)焊接接頭的力學(xué)性能也有重要的影響。T形接頭焊縫處某一位置各相組織含量隨時(shí)間的分布變化如圖7a所示，焊前焊縫處的材料金相組織主要為鐵素體、珠光體，如圖7b所示。隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，當(dāng)溫度升高至727℃時(shí)，鐵素體和珠光體開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，溫度繼續(xù)升高，當(dāng)達(dá)到材料上轉(zhuǎn)變溫度A3線以上時(shí)，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，焊縫組織的奧氏體含量急劇增加。焊接完成后，由于失去電弧的加熱作用，焊縫位置急速冷卻，過(guò)冷奧氏體冷卻至550℃以下，奧氏體低碳區(qū)形成鐵素體晶核，從晶界向晶內(nèi)急劇長(zhǎng)大，隨著鐵素體的增長(zhǎng)，多余的碳原子在晶界析出，形成滲碳體并分布在鐵素體條之間，最終形成貝氏體組織。同時(shí)，當(dāng)溫度降低至Ms點(diǎn)溫度以下時(shí)，存在極大過(guò)冷度的奧氏體組織馬氏體形核長(zhǎng)大，因快速冷卻而生成大量馬氏體。當(dāng)?shù)竭_(dá)Mf點(diǎn)溫度時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)換結(jié)束。最終焊縫組織轉(zhuǎn)化為貝氏體和回火馬氏體，成分趨于穩(wěn)定。由此得知，S355J2G3薄板的T形焊接接頭最終得到的組織為貝氏體和回火馬氏體。因此，該材料在焊接冷卻過(guò)程中，熱影響區(qū)容易產(chǎn)生淬硬的馬氏體組織，使近焊縫區(qū)硬度提高、塑性下降，容易產(chǎn)生焊接冷裂紋。實(shí)際施焊過(guò)程中應(yīng)選用低氫焊接材料，根據(jù)具體情況進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理。

圖7 T形接頭焊縫處某一位置各相含量隨時(shí)間的分布變化及初始組織

3.3 應(yīng)力場(chǎng)分布

采用數(shù)值模擬軟件對(duì)T形接頭的整體變形量進(jìn)行分析。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，整個(gè)T形接頭的變形量越來(lái)越大。T形接頭在t＝1000s時(shí)的整體變形量如圖8所示。由圖8可看出，先焊位置的變形要比后焊位置處的變形稍大，并且距離焊縫越近變形越嚴(yán)重，變形最大的區(qū)域發(fā)生在豎版的頂端部分，因此熱影響區(qū)的變形要比遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的變形量大。同時(shí)，從圖8b可看出，T形接頭在焊接完成后有明顯的上翹趨勢(shì)。為了防止T形接頭焊接變形，實(shí)際焊接時(shí)可采用反變形法或合理的裝配和焊接順序。

圖8 T形接頭在t＝1000s時(shí)的整體變形量

T形接頭焊縫某一位置處的平均應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，接頭的平均應(yīng)力先急劇增大，然后由焊接壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換為焊接拉應(yīng)力，減小一定量后再次增加，最后趨于穩(wěn)定。最終焊接接頭表現(xiàn)為焊接拉應(yīng)力。這是由于施焊過(guò)程中，焊縫附近的溫度較高，而焊縫以外的區(qū)域溫度急劇下降，焊縫處受熱產(chǎn)生膨脹變形，但這種膨脹變形會(huì)受到低溫區(qū)域的約束，從而產(chǎn)生壓應(yīng)力。在焊縫的冷卻過(guò)程中，焊縫收縮產(chǎn)生收縮變形會(huì)受到鄰近低溫區(qū)域的影響從而產(chǎn)生拉應(yīng)力，最終焊縫處的應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，焊接完成后呈現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力的存在為焊縫裂紋的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件，因此為了保證焊接接頭的整體性能，建議進(jìn)行焊后消應(yīng)力處理，以消除殘余應(yīng)力的影響。

圖9 T形接頭焊縫某一位置處的平均應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)T形接頭焊接過(guò)程的數(shù)值模擬可看出，焊接是一個(gè)快速加熱、冷卻的過(guò)程。當(dāng)母材選用低合金高強(qiáng)度鋼S355J2G3時(shí)，最終得到的為貝氏體和回火馬氏體，且近焊縫區(qū)域容易產(chǎn)生淬硬的馬氏體組織。焊接完成后會(huì)產(chǎn)生一定的變形，平板兩側(cè)有明顯的翹起，并且存在一定的焊接殘余應(yīng)力，焊接過(guò)程容易產(chǎn)生焊縫冷裂紋。因此，為了保證T形接頭的焊接質(zhì)量，建議采用低氫型焊接材料，且進(jìn)行焊前預(yù)熱、焊后熱處理來(lái)減緩冷卻速度，防止產(chǎn)生淬硬組織，消除焊接冷裂紋產(chǎn)生的條件。同時(shí)，為了防止焊接變形，可采用反變形法或合理的裝配與焊接順序。