基于Simufact的外拘束對焊接熱循環(huán)參數(shù)的影響

張 建，黃 明，胡忠建

（畢節(jié)市工業(yè)學校，貴州 畢節(jié)551700）

焊條電弧焊焊接時，被焊金屬在熱源的作用下發(fā)生加熱和熔化過程，當熱源離開以后，金屬開始冷卻，在整個焊接過程中必然存在著熱的輸入、傳播和分布問題，由于熱源的移動，焊接部位要經(jīng)歷不均勻的加熱和冷卻的熱循環(huán)歷程，這種歷程不僅使焊接母材的組織和性能產(chǎn)生不均勻變化，而且還會使焊接區(qū)域產(chǎn)生殘余應(yīng)力、扭曲和變形。焊接熱循環(huán)過程影響著產(chǎn)品的制造質(zhì)量和使用性能，焊接結(jié)構(gòu)破壞事故許多是由焊接應(yīng)力和變形所引起。近年來，作用在焊件上的外部拘束力對焊接殘余應(yīng)力和變形的影響引起越來越多學者的關(guān)注[1～6]，認為焊接區(qū)域的熱循環(huán)影響著焊接質(zhì)量，為了達到減少焊接應(yīng)力和變形的目的，采用合理的裝夾布置可以控制焊接應(yīng)力和變形，本文運用Simufact-Welding軟件對Q345鋼進行T形焊接仿真，對比分析了焊件不完全約束和完全約束兩種方法下用焊條電弧焊焊接過程中熔合線處的加熱速度、加熱最高溫度、高溫持續(xù)時間和t8/5時間。

1 高斯分布熱源本構(gòu)方程

對于焊條電弧焊，由于熔深和挺度小，焊接熱源是移動的加熱斑點，因此，在加熱斑點上的熱流分布一般近似地用高斯分布函數(shù)來描述[6～9]。

高斯分布函數(shù)：

式中：q（r）為距離熱源中心 r處的熱流密度，J/（m2·s）；η 為焊接熱效率， 取 η=0.8；U 為電弧電壓；I為焊接電流；rH為加熱斑點半徑，m，取rH=0.015 m。

2 焊接模型的建立

Solidworks、Hypermesh 和 Simufact Welding的系統(tǒng)默認坐標系都是笛卡爾坐標系，因此建立的模型導入時視圖方向不發(fā)生變化。本文運用Solidworks建立實體焊接模型，該模型由焊件（part）、固定裝置（fix）、夾緊裝置（clamp）和工作臺（low plate）組成；焊件1和2的幾何尺寸分別為150 mm×80 mm×5 mm 和 150 mm×60 mm×5 mm，焊件材料為Q345。將該實體模型導入Hypermesh進行體網(wǎng)格劃分，然后將劃分好的實體網(wǎng)格導入Simufact Welding中進行裝配并賦值，焊件1和2的約束分兩組：完全約束和不完全約束。本文環(huán)境溫度20℃，焊接電流170 A，電弧電壓18 V，焊接速度9 m/h，焊條直徑φ4.0，電弧長度控制在2～4 mm范圍內(nèi)；重力方向的矢量坐標為 X，Y，Z（0，0，-1），焊接方向的矢量坐標為 X，Y，Z（-1，0，0），焊條與水平焊件夾角的矢量坐標為 X，Y，Z（0，1，1），焊條與焊接方向的矢量坐標為 X，Y，Z （-0.364，0，1）。 導入Simufact Welding中的模型如圖1（焊件不完全約束）和圖2（焊件完全約束），為了便于描述，定義焊件不完全約束為方法1，焊件完全約束為方法2。

圖1 方法1的焊接模型

圖2 方法2的焊接模型

3 結(jié)果與分析

3.1 加熱速度ωH

焊接過程中的加熱速度一般比常規(guī)金屬熱處理加熱速度快得多，因此其相變過程有其自身的特性，加熱速度快的部位，其加熱相變溫度隨之提高。不同的焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)、接頭形式、幾何尺寸和約束條件以及板厚度等都會影響加熱速度，本文中板厚為5 mm，不開坡口的單層T形平角焊接。對于Q345材料而言，加熱速度快，意味著發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度提高，奧氏體的均質(zhì)化和碳化物的熔解過程就越不充分，因此必然會影響到其后冷卻過程時的組織和性能。將加熱溫度的仿真數(shù)據(jù)導入Matlab，得到方法1和方法2熔合線處采樣點的加熱速度變化曲線，如圖3所示，從圖3可以看出：在引弧時，方法2的加熱速度比方法1的加熱速度快，在焊接過程中，方法1的加熱速度比方法2的加熱速度普遍快且平穩(wěn)，在收弧時，方法1的加熱速度比方法2的加熱速度變化顯著。

圖3 加熱速度曲線

圖4 方法1的熱循環(huán)云圖

圖5 方法2的熱循環(huán)云圖

3.2 加熱最高溫度Tm

焊接過程中的最高溫度對焊后母材熱影響區(qū)的組織和性能有很大影響，接頭熔合線上由于溫度高，引起晶粒嚴重長大，致使其韌性降低。焊接結(jié)束時方法1和方法2熔合線及近縫區(qū)的熱循環(huán)云圖如圖4和圖5所示，從圖4和圖5中可以看出同一位置處的加熱最高溫度在兩種方法下是不同的，方法1的加熱最高溫度為2084℃，方法2的加熱最高溫度為1720℃。

3.3 高溫持續(xù)時間tH

焊接時，焊接高溫持續(xù)時間的長短對于Q345金屬相的溶解、組分的擴散均質(zhì)化、析出以及晶粒大小都會產(chǎn)生很大影響。高溫持續(xù)時間越長，越有利于奧氏體均質(zhì)化過程和奧氏體晶粒的長大。將高溫持續(xù)時間的仿真數(shù)據(jù)導入Matlab，得到方法1和方法2熔合線處采樣點的高溫持續(xù)時間圖6，從圖6中可以看出方法1的高溫持續(xù)時間比方法2的高溫持續(xù)時間平穩(wěn)。

3.4 不預(yù)熱的t8/5時間

t8/5時間是決定Q345鋼熱影響區(qū)組織和性能的主要參數(shù)，也是熱循環(huán)過程研究的主要參數(shù)，t8/5對其組織和性能有決定性作用。方法1和方法2熔合線處采樣點的不預(yù)熱t(yī)8/5時間如圖7和圖8所示。從圖中可以看出方法1的不預(yù)熱t(yī)8/5時間比方法2的不預(yù)熱t(yī)8/5時間普遍長。

圖7 方法1 t8/5時間圖

圖8 方法2 t8/5時間圖

4 結(jié)論與討論

焊接的熱循環(huán)參數(shù)是人們所關(guān)心的熱點問題，運用Simufact-Welding軟件對焊條電弧焊的仿真報道甚少。本文運用Simufact-Welding軟件對T形平角焊接進行仿真，直觀地觀察了焊條電弧焊焊接的整個過程，同時對比分析了焊件完全約束和不完全約束兩種方法下用焊條電弧焊焊接過程中熔合線處的加熱速度、加熱最高溫度、高溫持續(xù)時間和t8/5時間。在其它參數(shù)相同的情況下，不同的焊件裝夾方法得到不同結(jié)果的熱循環(huán)參數(shù)。

（1）在引弧時，焊件不完全約束方法下的加熱速度比焊件方法完全約束方法下的加熱速度快，在運條時，前者方法下的加熱速度比后者方法下的加熱速度普遍快且平穩(wěn)，在收弧時，前者方法下的加熱速度比后者方法下的加熱速度變化顯著。加熱速度越快，奧氏體的均質(zhì)化和碳化物的熔解過程就越不充分，越不利于接頭處的韌性和強度的提高。

（2）焊件不完全約束方法下的加熱最高溫度比焊件完全約束方法下時的加熱最高溫度值高。加熱最高溫度過高，將使晶粒粗大，造成晶粒脆化，易于形成較大的焊接應(yīng)力或變形。

（3）焊件不完全約束方法下的高溫持續(xù)時間比焊件完全約束方法下的高溫持續(xù)時間平穩(wěn)。對Q345鋼來說，高溫持續(xù)時間越長，越有利于奧氏體的均勻化，但在1100℃以上的持續(xù)時間過長，將會使奧氏體晶粒粗大，造成晶粒脆化。

（4）焊件不完全約束方法下的不預(yù)熱t(yī)8/5時間比焊件完全約束方法下的不預(yù)熱t(yī)8/5時間長。適當增加t8/5時間，有利于緩解接頭的冷卻速度，減小淬硬傾向。

本仿真有助于深入了解焊件不同的裝夾方法對焊條電弧焊焊接熱循環(huán)參數(shù)的影響，通過優(yōu)化裝夾工藝，降低制造成本；有助于了解熱循環(huán)參數(shù)產(chǎn)生和存在的規(guī)律；有利于提高焊接質(zhì)量和使用性能，減少因焊接引起的破壞性事故；簡化焊條電弧焊焊接的實驗過程，為探索焊條電弧焊提供了一種新方法。對于合理地選擇裝夾方法、焊接材料、焊接順序和冷卻速率等[10]，有必要進行深入研究，本仿真還有待進一步的試驗驗證。

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