基于計(jì)算機(jī)模擬的預(yù)熱溫度對(duì)低合金高強(qiáng)度厚鋼板DSAW焊接工藝的影響

付光輝

（華東交通大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江西南昌330013）

0 前言

低合金高強(qiáng)度鋼因其強(qiáng)度高和韌性好被廣泛應(yīng)用于造船、高壓力容器、重型機(jī)械和海洋工程。然而，由于這種材料對(duì)于冷裂的敏感性，在焊前需要進(jìn)行預(yù)熱處理以防止冷裂紋的形成。預(yù)熱的過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致許多問(wèn)題，如焊接結(jié)構(gòu)的軟化、焊接成本的提高和生產(chǎn)效率的降低[1]。開(kāi)發(fā)沒(méi)有預(yù)熱或低溫預(yù)熱的低合金高強(qiáng)度厚鋼板焊接技術(shù)將簡(jiǎn)化焊接工藝，并提高焊接熱影響區(qū)的性能，在制造業(yè)具有重要意義[2]。

目前，對(duì)于厚鋼板結(jié)構(gòu)件的焊接多采用復(fù)雜、低效的手工和半自動(dòng)弧焊等傳統(tǒng)焊接方法，其主要過(guò)程如下：預(yù)熱、在一側(cè)進(jìn)行氣體保護(hù)電弧焊（GMAW），然后通過(guò)碳弧氣刨修整表面缺陷，拋光，磁粉探傷，再次預(yù)熱，在另一側(cè)進(jìn)行氣體保護(hù)焊，然后依照上述步驟再進(jìn)行一遍后續(xù)處理。DSAW是一種高效的焊接工藝，焊接完成后無(wú)需后續(xù)修整，曾被應(yīng)用于一些Mg合金和不銹鋼的焊接研究中。AZ31B鎂合金的拉伸性能和應(yīng)變硬化行為結(jié)果表明，DSAW比攪拌摩擦焊（FSW）更能提高該材料的抗拉強(qiáng)度和韌性[3]。奧氏體不銹鋼使用DSAW工藝可以改善微觀結(jié)構(gòu)，減少變形[4]。然而，至今還沒(méi)有十分準(zhǔn)確的關(guān)于預(yù)熱溫度對(duì)于低合金高強(qiáng)度鋼厚板DSAW焊接影響的報(bào)告。因此，本研究采用雙機(jī)器人焊接技術(shù)研究了DSAW工藝的熱特性。利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)焊接溫度，通過(guò)理論分析和斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)來(lái)分析預(yù)熱溫度對(duì)于DSAW工藝在低合金高強(qiáng)度厚鋼板焊接的影響。

1 DSAW工藝

圖1、圖2給出了DSAW系統(tǒng)，其主要包括兩個(gè)機(jī)器人（一個(gè)KUKB機(jī)器人和一個(gè)ABB機(jī)器人）、一個(gè)中央控制器、一個(gè)協(xié)調(diào)控制中心、兩個(gè)焊接電源、一個(gè)工作臺(tái)和一個(gè)視覺(jué)傳感器。焊接源和兩個(gè)機(jī)器人之間的聯(lián)系由晶體電子管來(lái)實(shí)現(xiàn)。中央控制器控制著電弧開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)中的視覺(jué)傳感器主要用于指導(dǎo)機(jī)器人的初始焊接位置。GMAW用于機(jī)器焊接和填充。由于機(jī)器人焊接嚴(yán)格的裝配精度要求，在系統(tǒng)中特別設(shè)計(jì)了能快速定位并提供外部限制，減少焊接變形的工作臺(tái)。

圖1 DSAW系統(tǒng)

用于焊接實(shí)驗(yàn)的厚鋼板具有對(duì)稱(chēng)雙V型槽，板材尺寸為50 mm×160 mm×250 mm，并配備4 mm寬缺口。前啟動(dòng)裝置和后啟動(dòng)裝置的距離為30 mm。為驗(yàn)證通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算出來(lái)的結(jié)果，在焊接過(guò)程中利用兩個(gè)熱電偶測(cè)量實(shí)際溫度。熱電偶的位置分布在金屬板的最表面，距離一端X=125 mm，如圖3所示。通過(guò)試焊接測(cè)定焊熔合線(xiàn)位置，然后將熱電偶點(diǎn)焊在假象熔合線(xiàn)0.4 mm處，測(cè)量打底焊熱影響區(qū)不同區(qū)域的溫度循環(huán)曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中使用的焊接參數(shù)為：焊接速度35 cm/min，焊接電壓16.5 V，焊接電流165 A，保護(hù)氣體流量為20 L/min。低合金高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分如表1所示。計(jì)算中所采用的材料物理特性隨溫度變化如圖4所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

表1 低合金高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分 %

圖3 焊接金屬板和熱電偶位置

為了驗(yàn)證預(yù)熱溫度對(duì)于DSAW工藝的影響，利用斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)在不同實(shí)驗(yàn)條件下焊接試樣的冷裂抗力。所有的樣品分為四種類(lèi)型，每種類(lèi)型包含兩個(gè)試樣。第一類(lèi)試樣為沒(méi)有預(yù)熱并采用傳統(tǒng)的焊接方法；第二和第三類(lèi)試樣分別經(jīng)50℃和100℃預(yù)熱后采用傳統(tǒng)的焊接方法；第四類(lèi)試樣未經(jīng)預(yù)熱采用DSAW工藝。

2 有限元模型

使用MARC.MSC軟件進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，圖5給出了對(duì)接板焊接的有限元模型。整個(gè)模型有17160個(gè)元素和19 337個(gè)節(jié)點(diǎn)。考慮到焊接區(qū)溫度梯度和熱影響區(qū)非常大，這些區(qū)域的網(wǎng)格十分細(xì)小，而遠(yuǎn)離焊接區(qū)域的網(wǎng)格較為粗大。在焊接方向和厚度方向上，焊縫區(qū)域周?chē)挠绊懛秶鸀? mm。x軸是寬度方向，y軸是厚度方向，z軸是焊接方向，如圖5所示。初始環(huán)境溫度是20℃。本研究采用雙橢球熱源模型[5]。物理和力學(xué)性能具有溫度依賴(lài)性的特點(diǎn)。

圖4 物理特性隨溫度變化曲線(xiàn)

圖5 三維有限元模型

本研究所使用的低合金高強(qiáng)度鋼的碳含量為0.1%。在環(huán)境溫度中實(shí)驗(yàn)，泊松比為0.285，密度是7.8 kg/m3，熔點(diǎn)為1 450℃。材料的熱力學(xué)性質(zhì)為：比熱是 434 J/kg，導(dǎo)熱系數(shù)為 30.7 k·℃/W·m-1，熱膨脹系數(shù)為 1.06×10-5℃-1，楊氏模量為 2.08×105 MPa。焊接熔池區(qū)附近的傳熱主要是熱輻射，在近表層處熱對(duì)流居多，考慮到常見(jiàn)的輻射和表面熱對(duì)流的影響，復(fù)合導(dǎo)熱系數(shù)的公式為

式中 h為復(fù)合熱傳導(dǎo)；εem為輻射系數(shù)；hcom為對(duì)流系數(shù)；σbol為斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度變量；Tamb為環(huán)境溫度。

雙面雙弧根焊的過(guò)程如圖6所示?；【嚯x變量設(shè)置為d，這意味著在焊接過(guò)程中前后兩個(gè)點(diǎn)火啟動(dòng)裝置的距離為d，且這兩個(gè)裝置的焊接速度相同。前啟動(dòng)裝置首先加載，經(jīng)t1時(shí)間后另一個(gè)啟動(dòng)。兩個(gè)點(diǎn)火裝置共同沿焊縫方向運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間t2，直至前一點(diǎn)火裝置關(guān)閉。此后，后方弧單獨(dú)運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間t1，直到該弧最后卸載，之后工件在空氣自然冷卻。t3是工件從焊接平均溫度冷卻到環(huán)境溫度所需的時(shí)間。根據(jù)兩電弧距離與和焊接速度v，上述時(shí)間t1是表示如下。

t2可用下列公式計(jì)算：

式中 L為金屬板的長(zhǎng)度（單位：mm）；v為焊接速度（單位：mm/s）；t3可以量化成已知的弧距，這個(gè)時(shí)間主要與材料的放熱系數(shù)和環(huán)境溫度有關(guān)。

圖6 焊接加載順序

3 結(jié)果與討論

3.1 熱分析

傳統(tǒng)焊接（CW）和DSAW的溫度周期如圖7所示。傳統(tǒng)焊接的溫度曲線(xiàn)只有一個(gè)峰值，而DSAW工藝的溫度曲線(xiàn)卻有兩個(gè)峰值。另一個(gè)明顯的區(qū)別是DSAW冷卻速度更慢。在第一個(gè)啟動(dòng)裝置點(diǎn)弧后會(huì)產(chǎn)生預(yù)熱行為，導(dǎo)致了DSAW的第一個(gè)峰在圖7a中出現(xiàn)。同時(shí)，后方的弧會(huì)提供第二次熱循環(huán)，此熱循環(huán)產(chǎn)生的第二個(gè)高峰出現(xiàn)在圖7b中。DSAW工藝中由前一個(gè)弧的預(yù)熱行為和后一個(gè)弧的焊后加熱能減小溫度梯度，降低冷卻的速率。

圖7 CW和DSAW的溫度循環(huán)曲線(xiàn)

為驗(yàn)證所計(jì)算溫度的可靠性，圖8給出了熱電偶所測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度。曲線(xiàn)表明計(jì)算溫度和實(shí)時(shí)溫度在第一弧和第二弧階段十分一致。計(jì)算和測(cè)量結(jié)果表明，溫度曲線(xiàn)有兩個(gè)峰值。DSAW溫度的雙峰特征改善了焊接件的顯微組織，減少了焊縫裂紋。

表2給出了不同焊接方法和預(yù)熱溫度下的冷卻參數(shù)。冷卻參數(shù)在焊接顯微組織和性能中發(fā)揮著非常重要的作用，特別是t8/5和t8/3，即焊接區(qū)域從Ar3（800℃）冷卻至奧氏體最不穩(wěn)定的溫度（500℃），甚至是馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變的溫度（300℃）。比較傳統(tǒng)焊接工藝和DSAW工藝，表2顯示DSAW工藝的t8/3和t8/5都更長(zhǎng)。DSAW工藝在不同預(yù)熱條件下：沒(méi)有預(yù)熱、50℃和100℃預(yù)熱的試樣，隨著預(yù)熱溫度的上升，t8/5以一個(gè)緩慢的速度增加；而t8/3的增加速度則更快。快速冷卻可以抑制氫含量從焊接區(qū)域和熱影響區(qū)的擴(kuò)散，并導(dǎo)致形成硬化組織。在焊接區(qū)域殘余的氫含量會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。但如果冷卻速度非常緩慢，焊接區(qū)和熱影響區(qū)將在高溫長(zhǎng)時(shí)間維持。因此，上貝氏體和馬氏體-奧氏體組織可能出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)，這將影響這些區(qū)域的強(qiáng)度。因此為保證低合金高強(qiáng)度鋼的焊接質(zhì)量，合理的t8/5和t8/3是非常必要的。經(jīng)100℃預(yù)熱并采用傳統(tǒng)焊接工藝試樣的t8/5只有9 s。這意味著焊接熱影響區(qū)中從奧氏體轉(zhuǎn)變而來(lái)的馬氏體沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)完成自回火。因此，它不是完全分解，這將降低熔化區(qū)沖擊韌性。但如果選擇DSAW工藝，從500℃冷卻到300℃所需要的時(shí)間是在相同預(yù)熱溫度下采用傳統(tǒng)焊接工藝的兩倍。在400℃到200℃的冷卻范圍內(nèi)冷卻緩慢，而在該溫度變化范圍內(nèi)馬氏體將完成轉(zhuǎn)變。這為熱影響區(qū)的馬氏體提供了自回火，可以減少焊接區(qū)和熱影響區(qū)的氫含量，減輕冷裂紋敏感性，提高抗裂性能。

圖8 DSAW溫度曲線(xiàn)

表2 冷卻參數(shù)

表2中最明顯的現(xiàn)象是在沒(méi)有預(yù)熱并采用DSAW工藝的t8/5和t8/3要大于經(jīng)100℃預(yù)熱并采用傳統(tǒng)焊接工藝的t8/5和t8/3。前一個(gè)弧的預(yù)熱行為和后一個(gè)弧的焊后加熱降低了溫度梯度，未經(jīng)預(yù)熱的DSAW工藝的焊后冷卻速率低于經(jīng)100℃預(yù)熱后傳統(tǒng)焊接工藝的冷卻速度，與此同時(shí)，焊接區(qū)和熱影響區(qū)能夠有更多的時(shí)間來(lái)供氫擴(kuò)散。氫含量的擴(kuò)散有助于減少冷裂紋敏感性，提高抗裂性能。這意味著采取未經(jīng)預(yù)熱的DSAW工藝比經(jīng)100℃預(yù)熱后采取傳統(tǒng)焊接工藝的抗冷裂能力更強(qiáng)。因此，DSAW工藝可以在更低的預(yù)熱溫度，甚至沒(méi)有預(yù)熱的情況下實(shí)現(xiàn)低合金高強(qiáng)度厚鋼板的優(yōu)良焊接。

3.2 冷裂實(shí)驗(yàn)分析

在焊接高強(qiáng)度鋼時(shí)，冷裂紋產(chǎn)生的機(jī)理是淬硬鋼被氫入侵和感應(yīng)，在壓應(yīng)力下導(dǎo)致脆化和裂縫的產(chǎn)生。試樣的臨界應(yīng)力（σcr）越高，冷裂紋抗力將越高。較低的氫含量和更長(zhǎng)的t8/5和t100將會(huì)提高臨界應(yīng)力。臨界應(yīng)力公式為

式中 [H]是熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量（單位：mL/100g），Pcm是合金元素的碳當(dāng)量；t100是焊接區(qū)從峰值溫度冷卻到100℃所需的時(shí)間。

結(jié)合式（5）和表1中低合金高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分，可計(jì)算出Pcm=0.258 5。

HR100是低合金高強(qiáng)度鋼的焊接區(qū)冷卻到100℃時(shí)殘余可擴(kuò)散氫的含量。該指標(biāo)對(duì)材料的冷裂敏感性比最初的熔敷金屬中氫含量H0影響更大?；诜瓶藬U(kuò)散定律，當(dāng)焊接區(qū)冷卻到100℃時(shí)，殘余可擴(kuò)散氫含量HR100的表達(dá)式為

式中 H0為焊縫凝固時(shí)最初的氫含量（單位：mL/100g）。在這項(xiàng)研究中使用超低氫線(xiàn)，最初氫含量是3.4 mL/100g。hw為平均焊縫厚度（單位：mm）；M 為氫的熱擴(kuò)散系數(shù)（單位：mm2）。

式中 v1是送絲速度；d是線(xiàn)徑；v2是焊接速度；w是焊接區(qū)的振幅；aH是沉積系數(shù)。

根據(jù)式（8）和表3中傳統(tǒng)焊接和DSAW的特征參數(shù)，MCW=1.722 mm2（經(jīng)100℃預(yù)熱并采取傳統(tǒng)焊接工藝），MDSAW=2.276mm2（沒(méi)有預(yù)熱并采用DSAW工藝）可以很容易地獲得。

表3 CW和DSAW的特征參數(shù)

HR100可以通過(guò)已計(jì)算出的hw和M計(jì)算得出。結(jié)果顯示HR100（沒(méi)有預(yù)熱并采用DSAW工藝）=2.55，HR100（經(jīng)100℃預(yù)熱并采取傳統(tǒng)焊接工藝）=3.44，沒(méi)有預(yù)熱并采用DSAW工藝和經(jīng)100℃預(yù)熱并采取傳統(tǒng)焊接工藝的t8/5分別為13 s和9 s，t100（沒(méi)有預(yù)熱并采用DSAW工藝）=224，t100（經(jīng)100℃預(yù)熱并采取傳統(tǒng)焊接工藝）=213，然后，臨界應(yīng)力（σcr）可以被計(jì)算出，σcr=528.31MPa（沒(méi)有預(yù)熱并采用DSAW工藝），σcr=393.44 MPa（經(jīng)100℃預(yù)熱并采取傳統(tǒng)焊接工藝）。臨界應(yīng)力（σcr）越高，焊接件的抗冷裂能力越好。計(jì)算結(jié)果表明沒(méi)有預(yù)熱并采用DSAW工藝的σcr高于經(jīng)100℃預(yù)熱并采取傳統(tǒng)焊接工藝的σcr，證明沒(méi)有預(yù)熱并采用DSAW工藝的試樣有更好的冷裂抗力。這再次證明DSAW工藝可以在更低的預(yù)熱溫度，甚至沒(méi)有預(yù)熱的情況下實(shí)現(xiàn)低合金高強(qiáng)度厚鋼板的優(yōu)良焊接性能。

3.3 斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步證明未經(jīng)預(yù)熱并采取DSAW工藝比經(jīng)100℃預(yù)熱并采取傳統(tǒng)焊接工藝具有更好的冷裂抗性，進(jìn)行斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)。

表4表明，采用沒(méi)有預(yù)熱的傳統(tǒng)焊接工藝，所有試樣在斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)中均出現(xiàn)橫向裂縫和縱向裂縫。當(dāng)預(yù)熱溫度上升到50℃，一半的試樣出現(xiàn)橫向裂縫和縱向裂縫。當(dāng)預(yù)熱溫度上升到100℃，在斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)中均未出現(xiàn)橫向和縱向的裂縫。為了使焊接樣品沒(méi)有裂縫，傳統(tǒng)工藝的預(yù)熱溫度必須保持在100℃以上。

表4 斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

表4還表明，當(dāng)采用DSAW的方法時(shí)即使沒(méi)有預(yù)熱，試樣也沒(méi)有任何橫向或縱向的裂紋。DSAW的模擬結(jié)果（見(jiàn)圖6、圖7）顯示，前弧的通過(guò)對(duì)于后弧起到預(yù)熱的作用，而后弧的通過(guò)則完成對(duì)前弧的退火過(guò)程。由于雙弧之間的相互作用，焊縫的冷卻速度慢，熔敷金屬中可擴(kuò)散的氫能夠有足夠的時(shí)間擴(kuò)散，減輕了高強(qiáng)度鋼的硬化淬火，減少應(yīng)力集中。所有這些都有助于提高冷裂抗力。為了說(shuō)明改善冷裂抗力與微觀組織之間的關(guān)系，再次研究了采用傳統(tǒng)焊接工藝和采用DSAW工藝的焊縫區(qū)的微觀組織。使用95%的工業(yè)酒精和5%硝酸混合物作為腐蝕溶液。圖9給出了使用光學(xué)顯微鏡觀察傳統(tǒng)焊接工藝和DSAW工藝的焊接區(qū)結(jié)果。圖9a顯示采取傳統(tǒng)焊接工藝的試樣的焊接區(qū)出現(xiàn)粗大的馬氏體板條。在焊接區(qū)出現(xiàn)粗大馬氏體板條的原因是焊縫的冷卻速率快及碳弧氣刨清根的影響，在焊接根部出現(xiàn)淬火硬化組織。采用傳統(tǒng)焊接工藝的試樣在冷裂實(shí)驗(yàn)中較脆，在斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)中容易形成橫向裂縫和縱向裂縫。圖9b表明，采用DSAW工藝的焊接區(qū)是由板條馬氏體和針狀鐵素體組成。比較采用傳統(tǒng)焊接工藝和DSAW工藝焊縫區(qū)的顯微組織，可以發(fā)現(xiàn)采用DSAW工藝的板條馬氏體更為細(xì)小，針狀鐵素體也具有良好的強(qiáng)度和沖擊韌性。采用DSAW工藝的焊縫區(qū)中針狀鐵素體的出現(xiàn)改善了微觀組織和冷裂抗力。

4 結(jié)論

分析了低合金高強(qiáng)度鋼厚板DSAW工藝對(duì)預(yù)熱溫度的影響，同時(shí)也進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、理論分析和斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)。取得的主要研究結(jié)果如下：

圖9 焊縫區(qū)顯微組織

（1）通過(guò)熱電偶測(cè)量的實(shí)時(shí)溫度表明數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性。

（2）沒(méi)有預(yù)熱并采取DSAW工藝試樣的臨界應(yīng)力（σcr）是528.31 MPa，而經(jīng)100℃預(yù)熱并采用傳統(tǒng)焊接工藝試樣的臨界壓力是393.44 MPa。更高的臨界應(yīng)力說(shuō)明沒(méi)有預(yù)熱并采取DSAW工藝的試樣有著更好的冷裂抗力。

（3）斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)表明：在相同的預(yù)熱溫度下采取DSAW工藝的試樣比采取傳統(tǒng)焊接工藝試樣的冷裂抗力更好。

（4）DSAW工藝可以實(shí)現(xiàn)低溫預(yù)熱甚至沒(méi)有預(yù)熱的低合金高強(qiáng)度鋼厚板的焊接。

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