奧氏體不銹鋼板TIG焊接的有限元模擬

朱 飛 黃春峰 高 科

（1. 江蘇法爾勝材料分析測試有限公司，江蘇 江陰 214436 ；2. 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司工程質(zhì)量監(jiān)督站，上海 200071）

復(fù)合鋼橋面板由不銹鋼復(fù)板和碳鋼基板復(fù)合而成，使復(fù)合鋼板兼有不銹鋼板的耐腐蝕性能和碳鋼板的力學(xué)性能、抗沖擊性能等，在鐵路橋梁和公路橋梁均得到了應(yīng)用，有效改善了鋼橋面板的維護(hù)經(jīng)濟(jì)性和服役壽命。因此復(fù)合鋼板的焊接工藝獲得了很多研究人員的關(guān)注。復(fù)合鋼板的焊接工藝涉及碳鋼基板的焊接和不銹鋼復(fù)板的焊接且不銹鋼板焊接時還需要考慮對碳鋼基板焊縫及碳鋼不銹鋼復(fù)合區(qū)域焊縫的影響，因此不銹鋼板的焊接工藝是復(fù)合鋼板焊接及應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)的焊接工藝評定試驗(yàn)需要較長的試驗(yàn)時間且需要耗費(fèi)一定的制造及檢測費(fèi)用，采用有限元方法進(jìn)行不銹鋼板焊接的溫度場和應(yīng)力場的模擬，進(jìn)行焊接工藝的確定及優(yōu)化，可有效縮短焊接工藝設(shè)計(jì)周期，該文以奧氏體不銹鋼板為研究對象進(jìn)行TIG焊接的模擬仿真。

1 TIG焊接有限元模擬研究現(xiàn)狀

國內(nèi)很多研究人員開展了有限元焊接電弧仿真分析及研究，研究內(nèi)容包括焊接電弧的原理、焊接過程的溫度和應(yīng)力場變化、焊接工藝參數(shù)的影響等方面。上海交通大學(xué)的汪建華開展了有限元焊接電弧模擬的研究，對焊接溫度場熱彈塑性進(jìn)行模擬仿真，開發(fā)設(shè)計(jì)了焊接電弧有限元模擬分析軟件，可進(jìn)行板對接、管對接等形式焊縫的溫度、熱變形和熱應(yīng)力分析，并開發(fā)了一系列應(yīng)用分析程序。

楊曉鋒[1]等為了探索高壓空氣環(huán)境下的TIG焊接工藝參數(shù)，采用Fluent進(jìn)行TIG焊接溫度場及電勢分布規(guī)律模擬。劉東帥[2]等采用ANSYS的參數(shù)化語言模擬了TIG焊接及焊后冷卻的溫度場分布及溫度的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了電弧增材制造的動態(tài)過程仿真。王波[3]等為了探索具有更優(yōu)力學(xué)性能的高氮鋼焊接工藝，采用雙橢球模型熱源，進(jìn)行高氮奧氏體不銹鋼TIG薄板對接焊縫的溫度場和應(yīng)力場的有限元模擬。趙先銳[4]等在采用ABAQUS模擬了304不銹鋼平板對接TIG焊接試板的焊接溫度場及焊接橫截面變形分析，與實(shí)際試驗(yàn)焊縫形貌的對比表明了采用雙橢球熱源模型的有效性。

復(fù)合鋼橋面板在制造過程需要進(jìn)行多次平板對接焊接，為了探索更優(yōu)性能的復(fù)合鋼板焊接工藝，采用ABAQUS軟件進(jìn)行不銹鋼對接焊縫的TIG焊縫融合前后的溫度場及應(yīng)力場，驗(yàn)證了采用雙橢球熱源模型的不銹鋼板TIG平板對接焊接模擬方法的有效性。

2 平板對接的有限元模型

采用ABAQUS的前處理模塊來建立平板對接的有限元模型，建模采用自底向上的方式依次建立點(diǎn)、線、面和體。建立的平板對接焊縫有限元模型，由2塊長度為100mm、寬度為50mm、厚度為3mm的立方體構(gòu)成，材料選用橋梁復(fù)合鋼板常用的316L，標(biāo)準(zhǔn)材料牌號為022Cr17Ni12Mo2，由于此材料中含有一定含量的Cr、Ni、Mo元素，使316L具有較好的耐腐蝕氧化能力，作為復(fù)板能有效改善橋梁結(jié)構(gòu)的維護(hù)性，延長使用壽命，并保持碳鋼結(jié)構(gòu)良好的力學(xué)性能、工藝性能和使用性能。有限元模型均采用8節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格進(jìn)行單元劃分，如圖1所示，在平板對接焊縫有限元模型的縱向采用等間距的網(wǎng)格劃分，每個單元的縱向尺寸為2mm即模型縱向單元數(shù)量為50；模型的厚度方向也采用等間距的網(wǎng)格劃分，每個單元厚度方向的尺寸為1mm即模型厚度方向單元數(shù)量為3；在焊縫橫向采用疏密變化的網(wǎng)格劃分，焊縫橫向兩側(cè)的2.5mm區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格橫向尺寸為0.5mm、其他區(qū)域的網(wǎng)格橫向尺寸為1.9mm，則焊縫橫向的單元數(shù)量為60，整個平板對接焊縫有限元模型的節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量分別為12648和9000。在平板對接模型焊縫橫向采用疏密變化的網(wǎng)格劃分，即焊縫附近網(wǎng)格較密可在焊縫區(qū)域獲得更為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的網(wǎng)格間距較大使整體網(wǎng)格數(shù)量在合理范圍內(nèi)，有效地控制了模型的計(jì)算規(guī)模從而保證計(jì)算效率，橫向疏密變化的單元劃分方式，在有限元模型的計(jì)算精度和計(jì)算效率之間進(jìn)行了良好的平衡。

圖1 不銹鋼板平板對接的有限元模型及網(wǎng)格劃分

進(jìn)行平板對接的有限元仿真模擬，需要進(jìn)行相關(guān)材料屬性的設(shè)置，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，密度為7870kg/m3，比熱容為0.43kJ/（kg℃）~0.66kJ/（kg℃），熱傳導(dǎo)系數(shù)為14W/（m℃）~30W/（m℃），熱膨脹系數(shù)為14.5×10-6/℃~20.5×10-6/℃。奧氏體不銹鋼板TIG平板對接模型有限元模型計(jì)算結(jié)果的正確性和準(zhǔn)確性由初始條件、邊界條件和加載方式共同決定，因此選擇與實(shí)際TIG焊接過程相符的初始條件和邊界條件是獲得合理模擬結(jié)果的基礎(chǔ)。奧氏體不銹鋼板TIG焊接模擬的初始條件的環(huán)境溫度為25℃，采用直流反接TIG焊接方式，焊接電壓為16V，焊接電流為100A，焊接速度為5mm/s。TIG焊接采用雙橢球熱源模型，為了防止焊接模擬過程中模型的移動改變熱交換條件，對模型中沿著焊縫縱向的100mm×3mm端面施加固定約束，模型中焊縫橫向的50mm×3mm的端面約束其厚度方向的位移，焊接的計(jì)算時間和冷卻時間分別為20s和800s。

3 焊接溫度場分析

奧氏體不銹鋼板TIG焊接溫度場仿真分析是殘余應(yīng)力分析的基礎(chǔ)也是焊接工藝參數(shù)優(yōu)選和焊縫綜合性能提升的關(guān)鍵。直流TIG焊縫的計(jì)算過程分為焊接和冷卻，焊接過程的計(jì)算時間為20s、冷卻過程的時間為800s。雙橢球熱源從有限元模型焊縫的左側(cè)移動到右側(cè)，獲得奧氏體不銹鋼板平板對接有限元計(jì)算焊接時間為19.56s的溫度云圖如圖2（a）所示。溫度場以焊縫中線為對稱軸呈軸對稱形式，熱源呈橢圓形，熔池區(qū)域的溫度最高為2800℃，模型的初始環(huán)境溫度為室溫的25℃，由熔池至環(huán)境溫度的等溫線也呈橢圓形，橢圓形的中心由熔池向低溫區(qū)域呈放射狀且溫度高的橢圓形小而溫度低的橢圓形大。奧氏體不銹鋼板平板對接有限元計(jì)算冷卻時間為800s的溫度云圖分別如圖2（b）所示，模型中的最高溫度逐漸降低，溫度梯度逐漸減小，最高溫度區(qū)域隨著冷卻時間的推移由模型的右端向中間移動，且等溫線的橢圓形長短軸比逐漸減小，到冷卻計(jì)算時間為800s時基本為圓形。

圖2 不銹鋼板平板對接的焊接和冷卻過程溫度云圖

由平板對接焊縫模型中溫度分布云圖及其變化情況可知，隨著雙橢球熱源在焊接過程中沿著焊縫縱向移動，熱源附近的高溫區(qū)域也隨著時間的變化沿著焊縫縱向移動，熔池沿著焊縫縱向的快速移動形狀變成了雙橢球形，熱源移動前方的等溫線比熱源后方的等溫線更密，即熔池前方的溫度梯度大于熔池厚度的溫度梯度。熱源的形狀為拉長的橢球形式且由于熱源的移動即熔池的保持，使焊縫高溫區(qū)域大于熱源，因此呈現(xiàn)了拉長的橢球形狀。焊接冷卻過的溫度云圖隨著時間的變化，模型中最高溫度由焊縫右端逐漸向焊縫中部移動且由最高溫度周圍的溫度梯度也逐漸減小。以不銹鋼板平板對接焊縫模型右端部右焊縫中間向遠(yuǎn)離方向選擇了5個節(jié)點(diǎn)（A~E），跟蹤分析了5個節(jié)點(diǎn)的溫度隨著焊接加熱及冷卻的變化情況，其中節(jié)點(diǎn)A的溫度上升最快且峰值的溫度也最高，約在20s之后達(dá)到最高值約2400℃，節(jié)點(diǎn)B、C的溫度變化趨勢與A點(diǎn)基本相同，節(jié)點(diǎn)B的溫度峰值出現(xiàn)的時間較節(jié)點(diǎn)A略有延遲，峰值溫度約為1500℃，節(jié)點(diǎn)C的溫度峰值出現(xiàn)的時間較節(jié)點(diǎn)B略有延遲，峰值溫度約1000℃，節(jié)點(diǎn)D、E的峰值溫度出現(xiàn)時間更遲且峰值不明顯，焊縫中間的溫度梯度最大，隨著與焊縫距離的增加，其溫度梯度也逐漸減小。

在垂直焊縫某截面內(nèi)分析熔池沿著平板對接焊縫的厚度方向的變化，隨著焊接位置的推進(jìn)，熔深沿著平板厚度方向逐漸加深，在約1s時間內(nèi)熔深達(dá)到最大，然后高溫區(qū)域逐漸擴(kuò)大且高溫區(qū)域向外擴(kuò)展的溫度梯度逐漸減小，焊縫中部溫度梯度最大且峰值最高，隨著與焊縫中部的距離增加溫度峰值逐漸減小且溫度梯度逐漸減小。

4 焊接應(yīng)力場分析

在奧氏體不銹鋼平板對接焊縫TIG焊接過程溫度場分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行有限元模型由溫度引起的熱應(yīng)力分析，不銹鋼板平板對接的焊接計(jì)算時間為19.33s的Mises等效應(yīng)力云圖如圖3（a）所示，應(yīng)力分布以焊縫中線為對稱軸，高應(yīng)力區(qū)域均位于焊縫位置且熔池位置應(yīng)力最大，應(yīng)力最大值約614MPa，由焊縫中線向遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域應(yīng)力逐漸降低。有限元模型冷卻時間為800s的等效應(yīng)力云圖如圖3（b）所示，最大應(yīng)力值逐漸減小，高應(yīng)力區(qū)域也逐漸減小，應(yīng)力梯度增大，但高應(yīng)力區(qū)域還是集中的焊縫區(qū)域，由焊縫中線向遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域應(yīng)力逐漸降低。

圖3 不銹鋼板平板對接的焊接和冷卻過程等效應(yīng)力云圖

隨著雙橢球熱源沿著焊縫縱向移動，最大應(yīng)力區(qū)域沿著焊縫縱向快速移動，熱源經(jīng)過的區(qū)域均為高應(yīng)力區(qū)域，焊縫縱向的應(yīng)力梯度較小，由焊縫區(qū)域的橫向應(yīng)力梯度較大，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的橫向應(yīng)力梯度較小。在焊接冷卻過程中最大應(yīng)力值由焊縫右端沿著雙橢球熱源的方向移動，隨著計(jì)算時間的推進(jìn)，焊縫中線的應(yīng)力值逐漸降低，焊縫兩端的應(yīng)力值下降較快而焊縫中部的應(yīng)力值降低較慢，焊縫橫向的應(yīng)力梯度逐漸減小且焊縫區(qū)域和遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的差異逐漸減小，Mises等效應(yīng)力梯度大小及變化情況與溫度梯度的變化趨勢一致。

焊縫中線及附近焊縫區(qū)域的等效應(yīng)力值較高，焊縫熱源沿著焊縫縱向經(jīng)過的位置及附近區(qū)域的金屬溫度快速升高且超過了金屬的熔化溫度，熔池中的液態(tài)金屬在熱源中發(fā)生了膨脹和收縮，在對接焊縫模型中呈現(xiàn)了較大的金屬熱應(yīng)力。隨著焊縫中線及附件區(qū)域的溫度梯度逐漸變化，焊縫中線受到的金屬熱應(yīng)力逐漸減小，但焊縫縱向的均處于溫度較高區(qū)域且橫向溫度梯度較高，因此焊縫中線處的橫向應(yīng)力值也處于較高區(qū)域。

5 結(jié)論

在闡述TIG焊接有限元模擬研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，采用ABAQUS建立了奧氏體不銹鋼板對接焊縫的TIG焊接模型，采用雙橢球熱源模型，由ABAQUS建立的奧氏體不銹鋼對接焊縫的溫度場和應(yīng)力場有限元仿真結(jié)果分析，表明了建立的有限元焊接模擬方法的有效性。

在焊接過程中，隨著雙橢球熱源沿著焊縫縱向移動，溫度云圖中呈雙橢球形狀的熔池區(qū)域也隨著熱源沿著焊縫縱向移動，熔池前方的溫度梯度大于熔池后方，焊縫熔深隨著時間推進(jìn)沿著平板厚度方向逐漸加深，在約1s左右時熔深達(dá)到最大，然后高溫區(qū)域逐漸擴(kuò)大且高溫區(qū)域向外擴(kuò)展的溫度梯度逐漸減小。由奧氏體不銹鋼TIG焊縫的應(yīng)力云圖分析可知，隨著熱源沿著焊縫縱向推進(jìn)，最大應(yīng)力區(qū)域也沿著焊縫快速推進(jìn)并沿焊縫橫向擴(kuò)展，隨著冷卻時間的增加，由焊縫中部沿著焊縫橫向的應(yīng)力梯度逐漸減小。