SS400鋼中厚板焊接熱影響區(qū)寬度的有限元分析

麻永林，白慶偉，賀鴻臻，邢淑清，陳重毅

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院， 包頭 014010)

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SS400鋼中厚板焊接熱影響區(qū)寬度的有限元分析

麻永林，白慶偉，賀鴻臻，邢淑清，陳重毅

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院， 包頭 014010)

摘要：應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)建立了SS400鋼中厚板焊接有限元模型，采用生死單元技術(shù)結(jié)合體生熱率熱源模型，在不同熱輸入下對(duì)其焊接熱循環(huán)過程進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)模擬得到的特征溫度值進(jìn)而得到不同熱輸入下熱影響區(qū)寬度的變化規(guī)律，并將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明：過熱區(qū)寬度受熱輸入變化的影響較小，但不完全重結(jié)晶區(qū)寬度隨熱輸入的增加幾乎成線性增長(zhǎng)；焊接熱循環(huán)曲線模擬值與試驗(yàn)值的誤差小于4.5%，熱影響區(qū)寬度模擬值與試驗(yàn)值基本吻合，證明了建模及加載的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：有限元模型；熱循環(huán)曲線；熱影響區(qū)寬度; SS400鋼焊接接頭

0引言

高純凈度、超細(xì)晶粒和高均勻性是新一代鋼鐵材料的主要特點(diǎn)。SS400鋼是在Q235C鋼的基礎(chǔ)上，通過形變誘導(dǎo)相變和控軋控冷工藝熱軋而成，通過將晶粒尺寸控制到微米級(jí)，利用細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)可使其抗拉強(qiáng)度達(dá)到400 MPa以上。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼相比，SS400鋼具有良好的力學(xué)性能[1]，同時(shí)其碳當(dāng)量相對(duì)較低(0.25%)，淬硬傾向小，焊接性能良好。但是，焊接熱輸入對(duì)其焊接接頭顯微組織及力學(xué)性能影響較大，尤其是熔合線附近和過熱區(qū)的晶粒尺寸隨著熱輸入的增加而增大，同時(shí)焊接熱影響區(qū)寬度也因熱輸入的增加而變化。過熱區(qū)寬度增加，造成脆斷范圍擴(kuò)大，接頭硬度峰值提高，塑、韌性降低；而不完全重結(jié)晶區(qū)過寬，促使局部軟化區(qū)形成與發(fā)展，同時(shí)加劇該區(qū)域組織的不均勻性，導(dǎo)致力學(xué)性能不均勻。焊接接頭性能的降低，限制了SS400鋼的應(yīng)用，因此，其焊接熱影響區(qū)寬度預(yù)測(cè)對(duì)焊接質(zhì)量控制具有實(shí)際意義[2-3]。

為了降低焊接對(duì)工件整體力學(xué)性能的影響，焊接工藝參數(shù)必須合理。陳伯蠡[4]編寫的《焊接冶金原理》一書中提到可利用峰值溫度公式推導(dǎo)出熱影響區(qū)寬度計(jì)算公式，但在較低的熱輸入焊接時(shí)，熱影響區(qū)寬度的計(jì)算值普遍偏大。為此，作者采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)SS400鋼中厚板的焊接熱影響區(qū)(各子區(qū))寬度進(jìn)行定量分析，研究熱輸入對(duì)過熱區(qū)、相變重結(jié)晶區(qū)、不完全重結(jié)晶區(qū)尺寸的影響規(guī)律，從而為優(yōu)化焊接工藝提供技術(shù)參考。

1試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用熱軋態(tài)SS400鋼中厚板的厚度為12 mm，化學(xué)成分見表1，其顯微組織如圖1所示，由鐵素體和珠光體組成。

圖1　熱軋態(tài)SS400鋼的顯微組織Fig.1　Microstructure of SS400 hot-rolled Steel

將SS400鋼切割成尺寸為300 mm×200 mm×12 mm的試樣，每塊試樣開60°X形坡口，采用手工電弧焊進(jìn)行雙面每面單道次平板對(duì)接焊，焊接工藝參數(shù)如表2所示。垂直于焊縫縱向切割取樣，經(jīng)飽和苦味酸腐蝕處理后，采用光學(xué)顯微鏡觀察焊接接頭熱影響區(qū)(HAZ)，采用IPP金相分析軟件測(cè)定各子區(qū)的寬度。

表1　SS400鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2　焊接工藝參數(shù)

2焊接溫度場(chǎng)模擬及驗(yàn)證

2.1　實(shí)體建模

采用ANSYS有限元軟件對(duì)焊接試樣進(jìn)行1∶1實(shí)體建模，由于SS400鋼化學(xué)成分與Q235A鋼一致，近似采用Q235A鋼的熱物理性能參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，Q235A鋼的熱物理性能參數(shù)取自參考文獻(xiàn)[5]。單元采用Solid70，焊縫兩側(cè)10 mm處采用映射法劃分較細(xì)密的網(wǎng)格，遠(yuǎn)離該區(qū)域采用相對(duì)較疏的網(wǎng)格單元，如圖2所示。模型整體單元數(shù)為92 858個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為101 417個(gè)。

圖2　有限元網(wǎng)格模型Fig.2　Model of finite element mesh

2.2　控制方程及加載方式

焊接熱循環(huán)溫度在時(shí)間和空間上急劇變化，加熱和冷卻的不均勻性影響著HAZ各子區(qū)的寬度及晶粒大小。采用變分法和有限元相結(jié)合求溫度場(chǎng)微分方程和邊界條件的近似解。采用非線性瞬態(tài)三維傳導(dǎo)方程[6]確定熱循環(huán)曲線，即：

(1)

式中：Qb為單位體積的生熱率；Kx,Ky,Kz分別為x,y,z三個(gè)方向上的導(dǎo)熱系數(shù)。

采用牛頓-拉普森方法進(jìn)行非線性瞬態(tài)熱分析[7]。采用生死單元體生熱率熱源加載模型，計(jì)算加載公式為：

(2)

圖5　模擬及實(shí)測(cè)的熱循環(huán)曲線與溫度云圖Fig.5　Thermal circling curves and temperature nephograms:(a) thermal circling curve of 1#; (b) temperature nephogram of 1#;(c) thermal circling curve of 5#and (d) temperature nephogram of 5#

式中：Q為單位體積生熱率；α為綜合熱效率修正系數(shù);U為焊接電壓；I為焊接電流；v為焊接速率；S為垂直于焊接方向的加載面積；t為每層單元加載時(shí)間。

根據(jù)熱循環(huán)曲線模擬與實(shí)際值相吻合程度，由試驗(yàn)得出本試驗(yàn)熱源加載的修正系數(shù)為0.16。

由圖3可知，模擬熱源加載過程中，A處加載單位體積生熱率所接觸母材面積比C處多，導(dǎo)致A處迅速降溫，C處熱源傳導(dǎo)速率緩慢，造成模擬的熔池形貌與實(shí)際熔池形貌不相符。因此，在模擬過程中利用柱坐標(biāo)對(duì)坡口熱源沿熔深方向分三層進(jìn)行熱源加載。經(jīng)多次計(jì)算分析，得到A、B、C三層熱源能量加載比例經(jīng)驗(yàn)值為2.9∶2.2∶1[8]。為簡(jiǎn)化分析，假定焊縫金屬熱物理性能參數(shù)與母材相同，1#工藝下第二道焊縫模擬形貌與實(shí)際接頭對(duì)比如圖4所示，可

圖3　熱源分層加載示意Fig.3　Schematic diagram of heat load in a hierarchical manner

圖4　第二道焊縫模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4　Comparison of simulated and experiment resultsof second pass welding

知模擬與實(shí)際形貌比較吻合。

2.3　焊接溫度場(chǎng)模擬準(zhǔn)確性驗(yàn)證

圖6　熱影響區(qū)不同分區(qū)的形成溫度Fig.6　Formation temperature of HAZ subzone

為了驗(yàn)證溫度場(chǎng)模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，利用熱電偶XSR30型無紙記錄儀測(cè)得熱循環(huán)曲線，與模擬計(jì)算的熱循環(huán)曲線進(jìn)行對(duì)比分析。在焊接過程中，當(dāng)熱源接近待測(cè)點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)溫度迅速上升且具有較高的過熱度，當(dāng)達(dá)到最大值后又迅速下降，發(fā)生非平衡凝固相轉(zhuǎn)變，熱循環(huán)曲線中升溫和降溫速率隨距焊縫中心距離的增加而減小，但是焊縫周圍區(qū)域溫度變化趨勢(shì)大體相同[9]。選取1#和5#工藝參數(shù)下的首道焊縫，取距離熔池邊緣分別為1 mm和3 mm處的數(shù)據(jù)，繪制模擬和試驗(yàn)測(cè)得的熱循環(huán)曲線，如圖5(a)所示。1#工藝首道焊距熔池邊緣1 mm處實(shí)測(cè)熱循環(huán)最高溫度為1 011 ℃，而模擬值為1 033 ℃；3 mm處熱循環(huán)實(shí)際最高溫度為462 ℃，模擬計(jì)算最高溫度為480 ℃，模擬值與實(shí)際測(cè)量值間的誤差皆小于4.0%。經(jīng)模擬計(jì)算得到各子區(qū)組織形成溫度云圖，如圖5(b)所示。由于用熱電偶測(cè)熱源中心溫度困難，根據(jù)模擬溫度云圖反推得到焊縫熱源中心最高溫度為1 971 ℃，此時(shí)試樣最低溫度為25 ℃，熱源周圍的溫度梯度隨著距焊縫中心距離的增加而減小。同理，5#工藝首道焊縫模擬與試驗(yàn)測(cè)得的熱循環(huán)曲線如圖5(c)，誤差在2.5%~4.5%的范圍內(nèi)。根據(jù)圖5(d)所示，整個(gè)焊接工藝最高溫度達(dá)到2 481 ℃，最低溫度為48 ℃。由圖5(b)和圖5(d)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，1#工藝加載的熱輸入為12 kJ·cm-1時(shí)，焊縫周圍等溫線到熱源中心的距離大于熱輸入為33 kJ·cm-1的5#工藝的，符合傳熱學(xué)一般規(guī)律。

試驗(yàn)測(cè)得的特征點(diǎn)溫度與ANSYS模擬溫度基本吻合，說明建立的熱模型和運(yùn)用多層單元計(jì)算加載熱輸入方法正確，可以進(jìn)行焊接HAZ寬度的數(shù)值模擬分析。

3熱影響區(qū)寬度預(yù)測(cè)

3.1　熱影響區(qū)寬度預(yù)測(cè)理論依據(jù)

焊接接頭熱影響區(qū)一般由熔合區(qū)、過熱區(qū)、相變重結(jié)晶區(qū)、不完全重結(jié)晶區(qū)四個(gè)子區(qū)組成，其中熔合區(qū)包含未完全熔化但受熱長(zhǎng)大的粗晶粒和新形核長(zhǎng)大的鑄態(tài)組織，此區(qū)域較為狹小，一般只有1～2個(gè)晶粒寬度，且與過熱區(qū)構(gòu)成焊接接頭力學(xué)性能最差的部位。為簡(jiǎn)化試驗(yàn)，進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)將該區(qū)域歸為過熱區(qū)測(cè)量[10]。

HAZ各點(diǎn)到焊縫邊緣的距離不同，所經(jīng)歷的熱循環(huán)也不同，這樣就形成了具有不同組織形態(tài)的區(qū)域。如圖6所示，熔合區(qū)和過熱區(qū)的形成溫度是從液相線的溫度Tm以下到晶粒開始急劇長(zhǎng)大的溫度TG(1 100 ℃)[11]。此時(shí)SS400鋼中的鐵素體和珠光體在加熱時(shí)完全被奧氏體化。試樣在TG和臨界相轉(zhuǎn)變溫度Ac3之間形成相變重結(jié)晶區(qū)。不完全重結(jié)晶區(qū)形成溫度在Ac3到Ac1之間，由于只有部分組織發(fā)生重結(jié)晶，晶粒大小極不均勻，使得不完全重結(jié)晶區(qū)的力學(xué)性能降低，焊接軟化現(xiàn)象一般出現(xiàn)在該區(qū)域[12]。

作者利用DIL402C型熱膨脹儀測(cè)定SS400鋼臨界組織轉(zhuǎn)變溫度Ac1=708 ℃，Ac3=843 ℃，同時(shí)用STA449C型差熱分析儀測(cè)定其固-液轉(zhuǎn)變溫度Tm=1 519 ℃。

3.2　熱影響區(qū)寬度模擬計(jì)算

經(jīng)過X形坡口首道焊后，進(jìn)行第二道焊時(shí)會(huì)使部分HAZ以及焊縫組織產(chǎn)生二次再結(jié)晶，導(dǎo)致局部區(qū)域尺寸發(fā)生改變。為避免此現(xiàn)象對(duì)試驗(yàn)的干擾，將首道焊作為對(duì)試樣的預(yù)熱處理，選取第二道焊縫組織進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖8　熱影響區(qū)各分區(qū)寬度隨熱輸入的變化曲線Fig.8　HAZ width vs heat input curves: (a) HAZ; (b) overheated zone; (c) phase recrystallization zone and(d) incomplete recrystallization zone

1#工藝第二道焊縫穩(wěn)弧時(shí)，提取從熱源中心垂直焊縫路徑(橫向路徑)方向15 mm范圍內(nèi)的瞬態(tài)溫度，與距離作曲線如圖7所示。隨著到焊縫中心距離的增加，各位置的瞬時(shí)溫度逐漸降低。根據(jù)3.1節(jié)中所確定的各個(gè)子區(qū)形成溫度，將曲線劃分成四段，ab段為焊接熔合區(qū)和過熱區(qū)，bc段為相變重結(jié)晶區(qū)，cd段為不完全重結(jié)晶區(qū)。通過距離測(cè)量得到HAZ各子區(qū)的寬度，過熱區(qū)寬960 μm，相變重結(jié)晶區(qū)寬630 μm，不完全重結(jié)晶區(qū)寬240 μm，HAZ總寬度為1 830 μm。同理，其余2#～5#工藝HAZ寬度按此方法模擬計(jì)算。

圖7　1#工藝HAZ溫度-距離曲線Fig.7　The temperature-distance curve of HAZ for 1#

3.3　熱輸入對(duì)熱影響區(qū)寬度的影響

將1#～5#工藝的HAZ寬度的模擬計(jì)算值和試驗(yàn)值與熱輸入作曲線，如圖8所示。由圖8(a)可以看出，焊接HAZ寬度模擬值與試驗(yàn)值吻合程度相對(duì)較高，誤差在4.8%～9.0%的范圍內(nèi)。在焊接熱輸入為9.8～20 kJ·cm-1時(shí)，熱輸入對(duì)HAZ寬度影響相對(duì)較小，寬度變化平緩，基本保持在2 100 μm左右；當(dāng)熱輸入大于20 kJ·cm-1時(shí)，HAZ寬度隨熱輸入增加而明顯增加，此時(shí)焊縫周圍組織保溫時(shí)間充足，溫度梯度較小，原子擴(kuò)散能較高，晶粒逐漸長(zhǎng)大。HAZ寬度大幅增加使焊件焊接性嚴(yán)重降低。

由圖8(b)可以看出，隨著焊接熱輸入增加，過熱區(qū)寬度基本保持不變，模擬值比試驗(yàn)值高。在實(shí)際焊接過程中，過熱區(qū)晶粒的晶界逐步移動(dòng)，吞并周圍較小的晶粒，同時(shí)釘扎限制了熔合區(qū)附近晶粒由于較大的溫度梯度的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致實(shí)際過熱區(qū)寬度尺寸較低。試驗(yàn)與模擬結(jié)果最大相差141 μm，最大誤差為18%。

由于相變重結(jié)晶區(qū)晶粒均勻且相對(duì)細(xì)小，界面能較高，需要達(dá)到或超過晶界激活能晶界才能大幅移動(dòng)，使晶粒長(zhǎng)大。由圖8(c)可見，熱輸入在10～20 kJ·cm-1時(shí)，激活能較低，晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)不明顯，導(dǎo)致區(qū)域尺寸變化平緩。當(dāng)熱輸入達(dá)到20 kJ·cm-1以上時(shí)，從800～500 ℃冷卻時(shí)間t8/5充足，原子擴(kuò)散并重新排列加劇，此區(qū)域開始迅速變寬。

由圖8(d)可知，不完全重結(jié)晶區(qū)寬度模擬值隨著熱輸入增加幾乎成線性增長(zhǎng)，熱輸入增大加劇了該區(qū)域組織不均勻性，軟化區(qū)增加，材料性能變差。

對(duì)于微米級(jí)尺寸誤差在18%范圍內(nèi)，焊接熱影響區(qū)尺寸模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好。說明建立焊接模型合理，加載及計(jì)算方法可行，HAZ寬度預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)比較可靠，可為實(shí)際焊接工藝制定提供理論依據(jù)。

4結(jié)論

(1) 通過分層加載熱源模型以及熱源加載修正系數(shù)的應(yīng)用，模擬得到熱循環(huán)曲線，與試驗(yàn)曲線相比，最高溫度誤差小于4.5%；熱影響區(qū)寬度模擬與試驗(yàn)值基本吻合，誤差在4.8%～9%的范圍內(nèi)，說明熱模型和計(jì)算加載方法正確，可用于實(shí)際焊接HAZ寬度的預(yù)測(cè)。

(2) 當(dāng)焊接熱輸入為9.8～20 kJ·cm-1時(shí)，HAZ寬度變化較小，基本保持在2 100 μm左右，當(dāng)熱輸入大于20 kJ·cm-1時(shí)，HAZ寬度隨熱輸入增加而大幅增加。

(3) 過熱區(qū)寬度受熱輸入變化影響較??；當(dāng)熱輸入達(dá)到20 kJ·cm-1時(shí)，相變重結(jié)晶區(qū)原子擴(kuò)散并重新排列加劇，此區(qū)域開始迅速變寬；不完全重結(jié)晶區(qū)寬度隨著熱輸入增加幾乎成線性增長(zhǎng)。

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Finite Element Analysis for Welding HAZ Width of SS400 Medium Steel Plate

MA Yong-lin, BAI Qing-wei, HE Hong-zhen, XING Shu-qing, CHEN Zhong-yi

(School of Material and Metallurgy, Inner Mongolia University of Science & Technology, Baotou 014010, China)

Abstract:The finite element model for the welding process of SS400 medium steel plate was established by using the numerical simulation technique. The body heat source model combined with birth-death model was adopted for the simulation of weld thermal cycle process under different heat-input conditions. According to the simulated characteristic temperature, the change law of heat affected zone(HAZ) width was obtained. The simulated and experimental results were compared. The results show that the influence of heat-input on the width of overheated zone was little; the width of incomplete recrystallization zone increased linearly with the increase of heat-input. The error between the simulated values and test values of thermal circling curves was below 4.5%. The simulated width for the welding HAZ was accorded with test value, which proved the accuracy of modeling and loading.

Key words:finite element model; thermal cycle curve; HAZ width; welded joint of SS400 steel

中圖分類號(hào)：G443；TG421

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-3738(2015)10-0095-06

作者簡(jiǎn)介：麻永林(1962-)，男，陜西神木人，教授，博士。

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題(2009ZX04014-064-05)；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(NJ10092)

收稿日期:2014-08-09；

修訂日期:2015-06-22

DOI:10.11973/jxgccl201510021