基于SYSWELD的焊后熱處理應力分布計算

白海青

（東營市特種設(shè)備檢驗所，山東 東營 257091）

熱處理是將金屬加熱到一定溫度，并在此溫度下恒溫一定時間，然后以各種不同的冷卻速度冷卻到常溫，以改變金屬內(nèi)部的組織及應力狀態(tài)，達到改善金屬材料或設(shè)備性能的一種處理方法。如果按傳統(tǒng)的實驗方法去做太費時費力，所以采用基于SYSWELD數(shù)值模擬方法，只要通過少量驗證試驗來證明數(shù)值方法在處理某一問題上的適用性，那么大量篩選工作便可通過計算機進行，而不必在工廠或?qū)嶒炇依镞M行大量的試驗工作。

一、基于SYSWELD的焊后熱處理

SYSWELD是完全實現(xiàn)了機械、熱傳導和金屬冶金的耦合計算的計算機模擬開發(fā)系統(tǒng)軟件。SYSWELD提供了多種焊接和焊接模擬的計算方法，在焊接中可以模擬幾乎所有的熔化焊、點焊、多道焊及焊接裝配變形等問題。SYSWELD具有獨有的向?qū)Ъ夹g(shù)，借助于裝配模擬向?qū)?，SYSWELD能實現(xiàn)對復雜組合模型焊接后應力和變形的分析，有效地解決了計算模型過大的問題，在計算模擬的速度、易用性、精度、實用性上取得了完美的統(tǒng)一。

二、實驗與程序設(shè)計

（一）工藝實驗

工藝實驗儀器有，WS-315B鎢極氬弧焊焊機，QG-2A金相試樣切割機。實驗材料為低碳鋼板Q235 ，尺寸為100mm×50mm×6mm。焊接工藝參數(shù)取值為：焊接電流130A ，電弧電壓17V，焊接速度5mm/s。在氬弧焊機上先調(diào)節(jié)電流為130A試焊，等電流電壓穩(wěn)定后再進行焊接，焊接時記錄下焊接的實際電流I和電壓V。

（二）熱處理工藝設(shè)計

采用低碳鋼Q235，厚度為6mm。根據(jù)材料查出國標關(guān)于Q235材料熱處理溫度和時間范圍的規(guī)定。保溫溫度的范圍是600~640度，保溫的時間根據(jù)公式0.04σ/h=t(2.1)可以計算出。當焊件的厚度小于50mm時，σ×0.04/h就是最短的保溫的時間。當焊件的厚度大于50mm時最短的保溫的時間公式是（σ+150）/100(h)。所以根據(jù)公式σ×0.04/h計算出焊件的保溫時間為不少于15分鐘。根據(jù)這幾組數(shù)據(jù)可以得出關(guān)于不同時間不同溫度熱處理后焊接應力大小的對比，也可以得出相同溫度不同時間熱處理的對比。根據(jù)不同的對比可以得出相對最佳的熱處理時間和溫度點。

（三）模型選取

選取合適的熱源模型在數(shù)值模擬中是非常關(guān)鍵的。按照熱源作用方式的不同，可以將焊接熱源分為四種焊接熱流分布模式，即均勻分布 、高斯分布、衰減分布和結(jié)合型分布。均勻分布與實際焊接過程中的熱流分布特征不太相符 ，而衰減分布僅見于激光焊的數(shù)值模擬中且應用不廣 。所以基于實際選用高斯分布熱源。

三、結(jié)果及分析

（一）溫度場的分析

建立好模型和校核熱源后進行計算，計算得到的熔池深度為板厚的一半，熱源模型參數(shù)比較適合。實際焊接焊件的熔深與模擬出的熔深相比基本相同，所以本次模擬是與實際比較貼近的，模擬出的數(shù)據(jù)是具有參考價值的，可以反映實際的焊件的相關(guān)數(shù)據(jù)。代替實際繁瑣的實驗。

（二）熱處理時間的影響

計算出了最短的保溫時間15min后，為更好的反映結(jié)果，在設(shè)計了30和60min保溫時間。所以有下面三種情況。（1）確定熱處理溫度為600℃，分別保溫15，30，60min。（2）確定熱處理溫度為620℃，分別保溫15，30和60min。（3）確定熱處理溫度為640℃，分別保溫15，30和60min 。

熱處理的效果還是比較明顯的。在熱處理之后應力減小，但在材料Q235熱處理溫度分別保溫15，30和60min后，三個時間范圍的熱處理效果是相同的。保溫15min30min和60min的應力曲線重合在一起，變化不大。綜合上面試驗所示的結(jié)果，保溫30min和60min是沒有必要的，為節(jié)約時間降低成本，保溫15min就好。

（三）熱處理溫度的影響

不同的保溫溫度600，620和640℃對應力的影響區(qū)別很小，特別是在焊件的中間位置，不同溫度的影響區(qū)別更小?？梢缘贸鋈齻€熱處理溫度600，620，640都一定程度上消除了應力，三個溫度消除應力的效果差不多。沒有明顯的差別。所以在熱處理溫度范圍內(nèi)620和640℃是沒有必要的，為節(jié)約能源，提高效率和經(jīng)濟效益，用600℃熱處理就好。

（四）小結(jié)

綜合試驗的數(shù)據(jù)，在實際的生產(chǎn)中有些熱處理的保溫時間保溫溫度是沒有必要的。當然在上面的數(shù)據(jù)中還有一些不足的地方，數(shù)據(jù)反映不夠明顯，對比不突出。出現(xiàn)這種情況主要是此次所用板材不夠大，熱處理時材料組織均勻化過快。還沒有很好的反映熱處理效果，總的來說，SYSWELD的應用為人們節(jié)約了很多時間和金錢，減少實驗工作量，減少實驗盲目性。對于保證焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安可靠性，具有重大的經(jīng)濟價值和現(xiàn)實意義。