黃文劍， 林國珍， 陳章蘭

(1.泉州城東萬達(dá)廣場商業(yè)管理有限公司， 福建 泉州 363000；2.集美大學(xué) 福建省船舶與海洋工程重點實驗室， 福建 廈門 361021)

0 引 言

焊接過程非常復(fù)雜，涉及電弧物理、傳熱學(xué)、冶金和力學(xué)等領(lǐng)域[1]。目前，在焊接生產(chǎn)過程中廣泛采用的冷裂紋試驗方法為斜Y型坡口焊接裂紋試驗，該試驗方法常作為評價碳素鋼和低合金高強度鋼焊接接頭熱影響區(qū)(Heat Affected Zone， HAZ)冷裂紋傾向大小的依據(jù)[2]。由于焊接試件材質(zhì)和厚度不一樣，如果對所有試件都做焊接冷裂紋試驗，既增加生產(chǎn)成本，又費時費力。利用有限元數(shù)值模擬可代替大量的試驗工作,通過設(shè)定不同的焊接參數(shù)，得到焊接過程殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。高強鋼焊接產(chǎn)生冷裂紋的3大主要因素有：淬硬組織、氫含量、接頭應(yīng)力。這3大因素的相互影響和作用在達(dá)到一定程度時，會產(chǎn)生焊接冷裂紋[3]。Q690E材料常用于海洋平臺樁腿,在焊接時冷裂傾向大，難以保證焊接質(zhì)量[4]。本文以低合金高強鋼Q690E為研究對象，運用ANSYS有限元軟件進(jìn)行溫度場和應(yīng)力場耦合,模擬焊接工況,改變焊接預(yù)熱溫度并比較這個因素對焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律的影響，為裂紋冷裂傾向的定量分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 焊接溫度場與應(yīng)力場的控制方程

1.1 焊接溫度場的表征

在焊接過程中，焊件局部溫度迅速升高，隨后又快速降低。在整個過程中，由于熱源的位置變化，焊件的溫度會跟隨時間和空間的改變而變化。因此，焊接溫度場模擬屬于典型的非瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題，其三維溫度場控制方程[5]為

(1)

式中:T為焊接溫度場的溫度變量；ρ為密度；λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)；qv為求解區(qū)域V的內(nèi)熱源強度；c為比熱容；t為熱量傳導(dǎo)時間。

焊接溫度場的換熱邊界條件[6]為

(2)

試件外表面與環(huán)境間熱交換系數(shù)[2]為

(3)

1.2 焊接應(yīng)力-應(yīng)變場方程

焊接結(jié)構(gòu)件由于在焊接過程中存在溫度場，產(chǎn)生了塑性變形。應(yīng)力-應(yīng)變場的關(guān)系方程[6]為

dσ=Ddε-cdT(4)

式中:dσ為應(yīng)力變化量；dε為應(yīng)變變化量；dT為溫度變化量；D為彈性或彈塑性矩陣；c為與溫度有關(guān)的常量。

2 焊接裂紋試驗有限元模擬

本文采用ANSYS耦合場分析中的間接耦合法[7]，認(rèn)為焊接溫度場對試件應(yīng)力-應(yīng)變場作用效果明顯，而焊接應(yīng)力-應(yīng)變場對溫度場的影響很小，不考慮溫度場引起的振動。由于在熱應(yīng)力計算中存在塑性材料蠕變的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，在單元類型中將SOLID 185單元由全積分變?yōu)榭s減積分，這樣有助于提高計算的收斂性。利用斜Y型坡口焊接裂紋試驗?zāi)Ｐ?，通過ANSYS自帶的編程語言APDL將焊接變量參數(shù)化，模擬焊接內(nèi)部循環(huán)命令。

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)“CB/T 4364-2013斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法”規(guī)定建立如圖1所示的200 mm × 75 mm × 12 mm的幾何模型。兩端和中間分別為約束焊縫和試驗焊縫，模型截面參考圖1中的A-A和B-B。在焊接模擬過程中，認(rèn)為兩端X型坡口部分都已經(jīng)焊接完畢，該處焊縫主要起到拘束的作用，可以將其當(dāng)作在整個焊接試驗中不產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，參照文獻(xiàn)[8]的處理方法，對模型作適當(dāng)簡化，拘束焊縫的模型是由中間試驗焊縫模型的基礎(chǔ)延伸而建立的。根據(jù)網(wǎng)格大小將整個模型分為3部分：焊縫區(qū)、過渡區(qū)和其他區(qū)域。垂直焊縫方向的過渡區(qū)是通過旋轉(zhuǎn)工作平面，然后以焊縫中心為基準(zhǔn)沿著垂直焊縫的方向前后各平移12 mm切分而來的沿焊縫方向的過渡區(qū)是通過將焊縫截面沿焊縫方向即沿z方向前后各拉伸10 mm而來的。在模擬分析中，試驗焊縫截面尺寸如圖2所示。焊接方法為熔化極活性氣體保護(hù)焊(MAG)，保護(hù)氣體用80%Ar+20%CO2。

圖1 斜Y型坡口焊接裂紋試驗試件形狀和尺寸

圖2 試驗焊縫截面尺寸

2.2 材料熱物理性能參數(shù)和選擇單元類型

在焊接過程中，由于溫度的急劇變化，材料的物理性能參數(shù)也會隨之變化。在焊接材料的塑性變形中，殘余應(yīng)力的計算結(jié)果與這個過程[9]是相關(guān)的。由于Q690E性能參數(shù)在考察區(qū)間內(nèi)隨溫度變化不大，取為定值，其中,密度為7 880 kg/m3、泊松比為0.3。具體數(shù)值如表1所示。

表1 Q690E材料性能參數(shù)[10]

在利用ANSYS進(jìn)行熱分析的過程中，先選用三維實體SOLID 70單元進(jìn)行分析，完成熱分析后，把SOLID 70變成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元SOLID 185。由于焊接過程的溫度隨時間和空間發(fā)生急劇變化，變化梯度很大，在劃分網(wǎng)格時，為節(jié)省計算時間，本文將焊縫位置的網(wǎng)格尺寸取2 mm，與焊縫相鄰的熱影響區(qū)取3.5 mm且對該區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行過渡圓滑處理，其他區(qū)域的網(wǎng)格尺寸取5 mm，如圖3所示。

圖3 斜Y坡口焊接裂紋試驗?zāi)Ｐ途W(wǎng)格

2.3 焊接工藝參數(shù)和焊接過程模擬

在焊接過程中，考慮到焊絲較細(xì)，焊縫為單道2層焊縫形式，由于焊縫比較薄，焊接電流也作相應(yīng)的調(diào)整。熱輸入?yún)?shù)：焊接電壓25 V，電流120 A，焊接速度300 mm/min,焊接熱效率取0.80。

模擬過程采用高斯體熱源，利用單元生死命令對單元進(jìn)行排序，并配合時間步長和焊接速度控制單元生死，以焊接處的單元被激活、焊縫其他區(qū)域的單元被殺死來模擬整個焊接過程。單元被殺死并不是簡單地把單元去除，而是單元可以正常地顯示，只是不參與計算，從而更真實地接近實際焊接過程。沿焊縫方向劃分40個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格2 mm，每個載荷步時間步長dt=0.4 s，根據(jù)公式焊接載荷移動次數(shù)N=L/V/dt=40(其中L為長度；V為移動速度；dt為載荷步時間步長),即載荷每移動1次就是1個網(wǎng)格距離。一共計算80個子步，焊接循環(huán)所需計算時間為32 s。

其中，在穩(wěn)態(tài)分析中，考慮到設(shè)定的冷卻時間可能不一定能夠達(dá)到冷卻溫度，因此在冷卻分析中，直接將整個焊件的溫度設(shè)定為均一溫度，這是由于設(shè)定穩(wěn)態(tài)時間并不參與計算，只作為時間的標(biāo)示，其不會影響結(jié)果，但每次分析的時間都比上一次時間大一點，不能與上一段分析時間相同，否則會覆蓋上一個分析結(jié)果。利用這一設(shè)定可以節(jié)省大量的計算時間。

2.4 計算結(jié)果

2.4.1 溫度場

焊接溫度場經(jīng)歷了一個非穩(wěn)態(tài)—準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)—非穩(wěn)態(tài)的過程[11]。由于整條焊縫被劃分成40個網(wǎng)格、2道焊縫，網(wǎng)格處的溫度隨熱源移動而發(fā)生變化。起初焊件各節(jié)點溫度相同；焊接開始后，起焊處的節(jié)點溫度迅速上升，隨后溫度由于熱源移動到下一網(wǎng)格而快速降低。整個焊接循環(huán)熱源移動了80次，焊接處的節(jié)點溫度也變化了80次，即焊接處節(jié)點的溫度隨時間變化，各節(jié)點的溫度也隨熱源移動。在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程中，熱源前部節(jié)點的溫度梯度大，后部節(jié)點的溫度梯度小。最后，整個焊件進(jìn)入自然冷卻狀態(tài)，焊件的溫度降低很快，最終趨于環(huán)境溫度。由于焊接模型近似于左右對稱，焊縫的位置位于焊件的中間，因此整塊焊件最后的溫度分布也近乎左右對稱，焊縫位置處的溫度高，遠(yuǎn)離焊縫位置處的溫度低。圖4為在自然冷卻條件下最后時間子步的溫度場分布云圖。

圖4 自然冷卻條件下最后時間子步的溫度場分布云圖

2.4.2 殘余應(yīng)力分布

通過動態(tài)應(yīng)力場模擬計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，焊件在逐步冷卻過程中，殘余應(yīng)力會逐漸增加，直至試件溫度減小至室內(nèi)溫度時達(dá)到峰值，橫向殘余應(yīng)力(垂直于焊縫方向)始終比縱向的殘余應(yīng)力(沿焊縫長度方向)要小。圖5為試板自然冷卻至30 ℃時的應(yīng)力分布情況，從中可以看出：焊縫開始焊接處的殘余應(yīng)力較小，焊縫終端殘余應(yīng)力較大；焊縫、熔合區(qū)及HAZ為殘余拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域承受壓應(yīng)力，且焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力最大。

圖5 等效應(yīng)力分布圖

圖6是在焊縫表面、焊縫中部和焊縫底部處所選取節(jié)點的z向殘余應(yīng)力分布圖。從圖中可以看出，殘余應(yīng)力峰值都出現(xiàn)在坡口處，焊縫中心和根部的應(yīng)力分布都是焊縫兩邊高、中間區(qū)域小，HAZ處應(yīng)力梯度最大，且焊縫表面、中心和根部的殘余應(yīng)力均是遞增的關(guān)系。

圖6 截面A-A距焊縫不同位置處的應(yīng)力分布

3 預(yù)熱溫度影響

3.1 預(yù)熱溫度對t8/5和t8/3的影響

t8/5長短是影響焊縫組織冷卻速度的重要因素，焊接接頭的冷卻速度可通過預(yù)熱來降低，延長t8/5有利于擴散氫逸出，從而避免冷裂紋的產(chǎn)生。表2 為試板的焊縫表面節(jié)點(第38號節(jié)點位置處)在不同預(yù)熱溫度下的t8/5和t8/3，即在室溫30 ℃、預(yù)熱100 ℃、預(yù)熱150 ℃、預(yù)熱200 ℃下從800 ℃自然冷卻到500 ℃和300 ℃所用的時間，通過比較該時間的長短，推斷是否有焊接冷裂紋產(chǎn)生的傾向。由表2可以看出：當(dāng)預(yù)熱溫度增大時，其t8/5和t8/3也會相應(yīng)增加，即冷卻速度減??；預(yù)熱溫度越高，溫度由500 ℃降至300 ℃的時間越長，說明冷卻速度降低越明顯，越有利于降低擴散氫的逸出，從而避免接頭焊接冷裂紋的產(chǎn)生。圖7為在某一工況下38號節(jié)點預(yù)熱→焊接→冷卻→室溫的熱循環(huán)曲線，節(jié)點處于焊縫與節(jié)點接觸的位置，由于焊縫為2道焊縫，因此38號節(jié)點經(jīng)歷了2次加熱過程。圖8為在不同預(yù)熱溫度下38號節(jié)點的t8/5和t8/3分布規(guī)律。

表2 溫度場計算結(jié)果

圖7 焊縫表面節(jié)點的熱循環(huán)曲線

圖8 不同預(yù)熱溫度下焊縫表面節(jié)點的熱循環(huán)曲線

3.2 預(yù)熱溫度對殘余應(yīng)力的影響

由于殘余應(yīng)力的存在會削弱焊件結(jié)構(gòu)的疲勞強度，當(dāng)焊縫處的拉伸殘余應(yīng)力大于屈服強度時將大幅降低焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度，殘余應(yīng)力越大，疲勞壽命越短，因此本文對不同預(yù)熱溫度對殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行考察。圖9為分別在4種溫度工況下，即不預(yù)熱室溫條件、預(yù)熱100 ℃、預(yù)熱150 ℃和預(yù)熱200 ℃時，垂直于焊縫方向截面A-A的焊縫表面距離焊縫中心不同位置處殘余應(yīng)力分布。從圖9可以看出：提高預(yù)熱溫度可以降低殘余應(yīng)力的峰值，從而可有效降低焊接裂紋的產(chǎn)生；提高預(yù)熱溫度可降低應(yīng)力梯度，即焊縫表面殘余應(yīng)力分布更加地矮胖。為減小殘余應(yīng)力，在實際生產(chǎn)過程中，適當(dāng)選擇稍高的焊接預(yù)熱溫度。

圖9 截面A-A焊縫表面與焊縫中心不同距離處不同預(yù)熱溫度下殘余應(yīng)力分布

3.3 預(yù)熱溫度對熱裂紋的影響

在焊接過程中，熱裂紋是焊縫和熔合線附近HAZ金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)所產(chǎn)生的焊接裂紋，在實際生產(chǎn)中最常見的熱裂紋是結(jié)晶裂紋。高溫區(qū)間應(yīng)力大小對熱裂紋有很大的影響。結(jié)晶裂紋是焊縫在結(jié)晶過程中由于雜質(zhì)的原因而形成的低熔點共晶物[12]。圖10為在實際焊接試驗過程中形成的熱裂紋，從中可見，裂紋沿焊縫長度方向分布于焊縫中心，且裂紋長度較長、較深。圖11為在模擬焊接過程中焊縫表面中心某節(jié)點在1 200～800 ℃的熱應(yīng)力曲線。從圖中可以看出，預(yù)熱溫度越大，某一溫度下的熱應(yīng)力越小，但隨著溫度降低，熱應(yīng)力均隨之增大。

圖10 焊接過程產(chǎn)生的熱裂紋

圖11 不同溫度下焊縫表面中心某節(jié)點的熱應(yīng)力分布

3.4 預(yù)熱溫度對弧坑裂紋的影響

弧坑裂紋是由在焊接收弧時電流突然大幅降低甚至熄滅，造成熔池中心凝固太快，受到周圍金屬收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力而產(chǎn)生的。弧坑裂紋是熱裂紋的一種，是冶金和力的因素共同作用的結(jié)果，提高預(yù)熱溫度可很好地減小弧坑裂紋的產(chǎn)生[13]。圖12～圖15分別為焊縫收尾處440號節(jié)點沿x、y、z方向的應(yīng)力和3個方向的等效應(yīng)力曲線，從中可以發(fā)現(xiàn)，在3個方向上4種預(yù)熱溫度下應(yīng)力曲線走向基本一致，提高預(yù)熱溫度可減小某一時刻的應(yīng)力，預(yù)熱溫度越高，對減小應(yīng)力數(shù)值越有利，因此，提高預(yù)熱溫度可很好地減小弧坑裂紋的產(chǎn)生。

圖12 焊縫收尾處440號節(jié)點沿x軸方向的應(yīng)力曲線

圖13 焊縫收尾處440號節(jié)點沿y軸方向的應(yīng)力曲線

圖14 焊縫收尾處440號節(jié)點沿z軸方向的應(yīng)力曲線

圖15 焊縫收尾處440號節(jié)點等效應(yīng)力曲線

4 結(jié) 論

(1) Q690E低合金高強鋼的斜Y 型坡口焊接裂紋，沿焊縫方向的殘余應(yīng)力大于垂直于焊縫方向的應(yīng)力，且其應(yīng)力峰值出現(xiàn)在焊縫坡口側(cè)及焊縫根部附近，熔合區(qū)處的應(yīng)力梯度較大。

(2) 焊接時提高預(yù)熱溫度可降低殘余應(yīng)力峰值和應(yīng)力梯度，從而減少焊接裂紋的產(chǎn)生，減小殘余應(yīng)力，并延長焊件的疲勞壽命。

(3) 焊接時提高預(yù)熱溫度，有利于增加t8/5和t8/3,有利于擴散氫的逸出,從而減少焊縫冷裂紋的產(chǎn)生，同時可以減少焊接熱裂紋和弧坑裂紋的產(chǎn)生。