楊 琴，郭永環(huán)，徐冬秦，顏 天

(江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221116)

0 引 言

當(dāng)今社會(huì)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致能源緊缺和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，這使得汽車輕量化設(shè)計(jì)成為研究熱點(diǎn)。雙相鋼尤其是力學(xué)性能優(yōu)異的DP780雙相鋼已成為最具發(fā)展?jié)摿Φ能嚰芙Y(jié)構(gòu)材料[1]。目前，有關(guān)DP780雙相鋼焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)(CGHAZ)組織和力學(xué)性能的研究未考慮焊接變形的影響[2]。焊接變形危害極大，不僅會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件尺寸精度的變化，過大的變形還會(huì)顯著降低結(jié)構(gòu)的承載能力。但是焊接變形在實(shí)際焊接過程中很難避免，只能在最大程度上減小變形量。焊接接頭GCHAZ因受高溫影響而組織粗大、韌性很低，是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，易產(chǎn)生脆化或裂紋[3]。焊接接頭熱影響區(qū)寬度極小。要想充分了解這一細(xì)小區(qū)域特別是粗晶區(qū)的組織和性能，采用傳統(tǒng)的焊接試驗(yàn)方法是很難實(shí)現(xiàn)的，而焊接熱模擬技術(shù)可以很好地解決這一問題[4]。焊接熱模擬可以模擬得到放大的焊接熱影響區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)域組織和性能的研究[5-6]。

鑒于此，作者建立了DP780雙相鋼板焊接有限元模型，以變形量最小為指標(biāo)通過模擬確定了最佳焊接參數(shù)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，采用該模型模擬了焊接過程中接頭的溫度場(chǎng)和不同位置的熱循環(huán)曲線，通過峰值溫度確定了CGHAZ范圍，模擬了該區(qū)域馬氏體含量并采用焊接熱模擬試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為冷軋DP780雙相鋼板，由寶山鋼鐵股份有限公司提供。將DP780鋼板加工成尺寸為105 mm×75 mm×3 mm的待焊試樣，采用TIG-200型逆變氬弧焊機(jī)進(jìn)行非熔化極惰性氣體保爐焊(TIG焊)，保護(hù)氣體為純度99.9%的氬氣。接頭形式為對(duì)接接頭，I型坡口，接頭間隙為0，焊縫方向與長(zhǎng)度方向平行，雙面焊接(上下各1道焊縫)。采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，試驗(yàn)因素為焊接電流和焊接速度，焊接電流共6個(gè)水平，分別為60，70，80，90，100，110 A；焊接速度共2個(gè)水平，分別為1.96，2.88 mm·s-1。設(shè)計(jì)的12組焊接工藝參數(shù)見表1。使用JDG-S2型數(shù)顯式立式光學(xué)計(jì)測(cè)量12組試樣的焊后變形量。

表1 均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

在DP780雙相鋼板上加工出尺寸為55 mm×10 mm×3 mm的試樣，在DST1000PC型動(dòng)態(tài)熱模擬機(jī)上模擬制備焊接CGHAZ試樣，焊接模擬時(shí)的峰值溫度由有限元模擬時(shí)提取到的粗晶區(qū)節(jié)點(diǎn)溫度確定。焊接模擬完成后，用金相砂紙打磨試樣并在拋光機(jī)上拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，使用BX51M型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，利用ImageJ軟件測(cè)定馬氏體相的面積分?jǐn)?shù)。

2 焊接模型的建立

2.1 有限元模型

按照試驗(yàn)鋼接頭的形狀和尺寸，應(yīng)用Visual Mesh軟件建立有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。在寬度方向(垂直于焊縫方向)使用組合網(wǎng)格(Type選擇Linear，F(xiàn)actor選擇5)劃分為40份，即溫度變化不敏感的區(qū)域采用較粗的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在溫度變化敏感的焊縫及其鄰近區(qū)域采用較細(xì)的網(wǎng)格，網(wǎng)格較密集；在長(zhǎng)度方向(平行于焊縫方向)和厚度方向采用均勻劃分網(wǎng)格的方式，網(wǎng)格尺寸分別為2.625，0.375 mm。整個(gè)接頭共劃分28 160個(gè)網(wǎng)格。

圖1 焊接有限元模型

2.2 模擬條件及熱源模型

在Welding Advisor軟件中設(shè)置熱輸入、熱效率等焊接工藝參數(shù)。熱輸入公式為

(1)

U=10+0.04I

(2)

式中：U為焊接電壓，V；I為焊接電流，A；v為焊接速度，mm·s-1；η為熱效率系數(shù)，取0.75。

將表1中的參數(shù)代入式(1)和式(2)，即可求得12組參數(shù)下的熱輸入。設(shè)置初始溫度為20 ℃，焊件表面與周圍介質(zhì)的熱交換為表面換熱，將對(duì)流和輻射系數(shù)轉(zhuǎn)化為總的熱交換面(軟件默認(rèn))進(jìn)行模擬計(jì)算[7]。設(shè)置夾持條件，沿焊縫方向兩端夾持，夾持位置如圖2中黑色圓點(diǎn)所示。合理的選擇熱源模型是準(zhǔn)確模擬溫度場(chǎng)的關(guān)鍵。焊接試驗(yàn)采用的是TIG氬弧焊，因此選用雙橢球熱源模型進(jìn)行模擬[8]。

圖2 夾持位置示意

3 模擬結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 焊接變形量模擬及驗(yàn)證

在焊接過程中，熱循環(huán)會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致焊件發(fā)生變形。從Visual Viewer軟件中提取模擬得到的12組變形量(其中第1，2，4，5組未焊透，屬于不合格品；第3，6～12組焊接合格，接頭最大變形量分別為0.409，0.512，0.408，0.532，0.407，0.413，0.425，0.461 mm)。合格品中第9組參數(shù)下的焊接變形量最小，最大值僅為0.407 mm,其變形量分布見圖3。

圖3 第9組參數(shù)下焊接接頭的變形量分布

由焊接試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第9組參數(shù)下焊接接頭的變形量最小，最大變形量?jī)H為0.422 mm，而其他參數(shù)焊接后的最大變形量在0.45～0.76 mm。第9組參數(shù)下模擬變形量和試驗(yàn)所得變形量的相對(duì)誤差為3.528%，小于5%，說明有限元模型較準(zhǔn)確。后文均采用第9組參數(shù)進(jìn)行模擬和試驗(yàn)。

3.2 焊接接頭溫度場(chǎng)

焊完第1道焊縫的時(shí)間約為54 s，焊完第2道焊縫的時(shí)間約為108 s，兩道焊縫為連續(xù)焊接。由圖4可以看出：在焊接初始階段(時(shí)間t約0.446 s)，接頭處的初始溫度在2 000 ℃左右，此時(shí)母材熔化；焊完第1道焊縫時(shí)(t約為54 s)，除了兩個(gè)端點(diǎn)外接頭溫度均在2 200 ℃左右，焊完第2道焊縫時(shí)(t約為108 s)，第1道焊縫特征點(diǎn)的溫度在1 550～1 750 ℃之間。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，焊接接頭溫度場(chǎng)趨于穩(wěn)定。

圖4 第9組參數(shù)下焊接接頭的溫度場(chǎng)

3.3 接頭粗晶區(qū)及焊縫區(qū)熱循環(huán)曲線

在焊件上選擇3條路徑，模擬在焊接過程中這3條路徑上不同特征點(diǎn)的熱循環(huán)曲線。路徑1為第一道焊縫上表面中心線，路徑2為垂直于焊接方向的焊件上表面中心線，路徑3為垂直于焊接方向的焊件1/2厚度處中心線，如圖5所示。

圖5 熱循環(huán)曲線模擬路徑示意

由圖6可以看出：在路徑1上，第一道焊縫焊完后I點(diǎn)溫度變化較大，這是因?yàn)楹附拥絀點(diǎn)時(shí)前方再無(wú)焊點(diǎn)，熱源移過I點(diǎn)時(shí)的殘留熱量使得該點(diǎn)溫度急劇升高到3 000 ℃以上，之后因該點(diǎn)與空氣接觸散熱而陡降到1 750 ℃，隨即又上升到2 100 ℃左右；焊接第一道焊縫時(shí)路徑1上的峰值溫度均高于焊接第二道焊縫時(shí)的，但焊接第二道焊縫時(shí)路徑1各點(diǎn)的峰值溫度仍都高于材料熔點(diǎn)，并且各特征點(diǎn)的升溫速率均大于降溫速率；在垂直于焊接方向上，隨著距焊縫中心線距離的增大，溫度降低，如路徑2和路徑3的熱循環(huán)曲線所示。

圖6 采用第9組參數(shù)模擬得到不同路徑特征點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

從圖6(c)中提取焊接第1道焊縫時(shí)各特征點(diǎn)的峰值溫度，擬合得到路徑3上的峰值溫度分布曲線，如圖7所示，擬合函數(shù)表達(dá)式為

圖7 路徑3上峰值溫度分布曲線

y=-0.019 3x3+2.779 9x2-

123.91x+1 815.5

(3)

式中：x為特征點(diǎn)距焊縫中心的距離，mm；y為特征點(diǎn)的峰值溫度，℃。

焊接接頭粗晶熱影響區(qū)的溫度范圍為1 0801 530 ℃。將1 080 ℃和1 530 ℃代入式(3)，得到x分別為6.97，2.44 mm，則粗晶區(qū)寬度為4.53 mm。

3.4 接頭顯微組織

選擇距焊縫中心2.44～6.97 mm范圍(粗晶區(qū))內(nèi)的某一節(jié)點(diǎn)，使用Visual Environment軟件模擬焊接時(shí)該點(diǎn)的熱循環(huán)曲線和馬氏體含量的變化。由圖8可知：在焊接時(shí)間100 s以前，該節(jié)點(diǎn)溫度較高，峰值溫度達(dá)到1 250 ℃，未發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，而在100 s后，溫度降低至400 ℃，馬氏體含量不斷增加，焊接結(jié)束時(shí)馬氏體面積分?jǐn)?shù)達(dá)到43%。

圖8 CGHAZ某節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線和馬氏體含量隨時(shí)間的變化曲線

熱模擬焊接制備CGHAZ試樣時(shí)的峰值溫度取1 250 ℃。由圖9可以看出，DP780雙相鋼CGHAZ的組織主要由馬氏體和鐵素體組成，馬氏體面積分?jǐn)?shù)為44%，與有限元模擬結(jié)果(43%)相近，說明有限元模擬結(jié)果較準(zhǔn)確。

圖9 熱模擬制備DP780鋼CGHAZ試樣的顯微組織

4 結(jié) 論

(1)建立DP780雙相鋼焊接有限元模型，模擬得到焊接電流100 A、焊接速度1.96 mm·s-1條件下的焊接接頭變形量最小，最大僅為0.407 mm，與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的相對(duì)誤差為3.528%，說明有限元模型較準(zhǔn)確，該焊接參數(shù)最佳。

(2)最佳焊接工藝參數(shù)下焊縫區(qū)各點(diǎn)的升溫速率大于降溫速率；由有限元模擬得到不同位置的熱循環(huán)曲線，確定距焊縫中心為2.44～6.97 mm范圍內(nèi)為熱影響區(qū)粗晶區(qū)，其寬度為4.53 mm。

(3)有限元模擬得到熱影響區(qū)粗晶區(qū)中馬氏體面積分?jǐn)?shù)為43%，與由熱模擬試驗(yàn)制備熱影響區(qū)粗晶區(qū)試樣中的馬氏體面積分?jǐn)?shù)(44%)相近。說明建立的有限元模型可以用于模擬熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織。