窄間隙埋弧焊熱—力耦合有限元建模及殘余應(yīng)力分析

高震賢

（天津奇利石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450）

窄間隙埋弧焊常用于厚板焊接，它相較于普通埋弧焊的焊接坡口更窄，具有成本低、焊接效率高等優(yōu)點。由于其焊接坡口窄而深，要獲得高質(zhì)量的焊接接頭需要精確制備焊接坡口并設(shè)計合理的焊接工藝參數(shù)。對窄間隙埋弧焊過程進行有限元數(shù)值模擬技術(shù)分析，可較為準(zhǔn)確地預(yù)測焊接過程中溫度場與應(yīng)力場的分布特征與動態(tài)演變過程，從而探究工藝參數(shù)對焊接過程的影響，對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義[1,2]。

本文基于ABAQUS 軟件，建立了以2.25Cr-1Mo-0.25V 低合金耐熱鋼為焊接母材的窄間隙埋弧焊有限元模型，研究了厚板窄間隙埋弧焊焊接過程中應(yīng)力場與溫度場的分布特征與動態(tài)演變規(guī)律，探討了焊接速度對殘余應(yīng)力的影響，對優(yōu)化窄間隙埋弧焊工藝具有指導(dǎo)意義[3]。

1 窄間隙埋弧焊熱—力耦合有限元建模

1.1 雙橢球焊接熱源模型

焊接過程數(shù)值模擬分析中主要采用的熱源模型包括高斯熱源模型、球狀分布模型、串段分布模型和雙橢球熱源模型等。雙橢球熱源模型示意圖如圖1所示，該模型以體熱源的形式向焊件施加熱量，能充分考慮到焊接過程中電弧在厚度方向?qū)θ鄢販囟鹊挠绊慬4,5,6]。前、后半球熱源的能量密度分布函數(shù)如公式（1）所示。

圖1 雙橢球熱源模型

式中：af、a、b、c 為橢圓的形狀參數(shù)；f1為前半橢球的能量分數(shù)，f2為后半橢球的能量分數(shù)，且f1+f2=2。

1.2 焊接熱-力耦合有限元模型構(gòu)建

本文用于窄間隙埋弧焊的材料為2.25Cr-1Mo-0.25V 低合金耐熱鋼。如圖2 所示，在ABAQUS 軟件中建立尺寸為20mm×20mm×13mm 的焊件三維實體模型，并對其劃分網(wǎng)格。定義好材料的熱物性參數(shù)后施加一定的邊界條件，其中焊件的預(yù)熱溫度為200℃，焊件與空氣的對流換熱系數(shù)為20W/m2·℃，熱輻射系數(shù)為0.6。將用Fortran 語言編寫好的雙橢球熱源的子程序?qū)胫劣邢拊Ｐ椭?，控制熱源的能量施加與移動，施加的焊接線能量為32kJ/cm，焊接速度包括35cm/min、40cm/min 和45cm/min 三個水平。

圖2 窄間隙埋弧焊三維實體模型

2 有限元模擬結(jié)果及分析

2.1 焊接速度對焊件溫度場影響規(guī)律

以焊接速度為40cm/min 時為例，分析焊接過程中焊縫的溫度場分布特征與變化規(guī)律。焊接過程中的溫度場云圖如圖3 所示，此時焊接熱源沿著焊縫從左至右移動，熱源經(jīng)過時材料熔化形成熔池，溫度最高達到2102℃。焊縫熱影響區(qū)的溫度呈現(xiàn)弧形分布的特征，且溫度隨著焊縫距離的增加而降低，熱源前端的溫度梯度較大，后端的溫度梯度較小。同時，后一道焊縫在焊接過程中對前一道焊縫有回火作用，這在一定程度上減弱了焊接殘余應(yīng)力對焊件性能產(chǎn)生的影響。

圖3 焊接過程中焊件溫度場云圖

為進一步分析窄間隙埋弧焊焊接過程中焊接速度對焊縫及其附近區(qū)域溫度場的影響，模擬分析三個不同焊接速度（35cm/min、40cm/min、45cm/min）下的窄間隙埋弧焊焊接過程。為了更加直觀展現(xiàn)焊接速度對溫度場的影響規(guī)律，選取焊縫附近5 處特征點，如圖4 所示，對比分析不同焊接速度下各特征點處的熱循環(huán)曲線。圖5 展示了各特征點在不同焊接速度下的熱循環(huán)曲線，由橫向分布的特征點1、2、5可以看出，距離焊縫越遠，焊接過程中溫度越低，特征點1 最高溫度在450℃左右，位于焊縫處的特征點5 最高溫度在2200℃左右。而縱向分布的特征點3、4、5 的最高溫度相差不大，原因是縱向特征點處于熱源移動的路徑上，導(dǎo)致溫度偏高。在不同焊接速度下，各個特征點的熱循環(huán)曲線變化趨勢相近，但焊接速度越低，特征點的最高溫度越高。這是由于低焊接速度會使得該區(qū)域的加熱時間更長，即高溫停留時間變長。需要注意的是，更長的高溫停留時間有利于提高焊后回火效果，從而降低焊接殘余應(yīng)力。

圖4 焊件不同部位的特征點

圖5 不同焊接速度下各特征點的熱循環(huán)曲線

2.2 焊接速度對應(yīng)力場影響規(guī)律

焊接時加熱區(qū)域狹窄和溫度梯度不均勻會引起殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力會使構(gòu)件的承載能力和斷裂韌性下降，本節(jié)進一步探討不同焊接速度下焊件殘余應(yīng)力場的分布規(guī)律。圖6 為焊接速度40cm/min 下的不同時刻的應(yīng)力場云圖，焊接過程中殘余應(yīng)力橫向沿焊縫呈對稱分布。圖6a 為第一道焊縫焊接完成時刻，此時熱源從焊縫前端移動至后端，熔池區(qū)域由于處于液態(tài)，殘余應(yīng)力較低，僅為7.5MPa。遠離熱源處的焊縫部位由于冷卻收縮使得殘余應(yīng)力逐漸增加，其值在137～202MPa 之間。焊接坡口兩側(cè)的壁面和焊件上表面存在應(yīng)力集中，值為169～234MPa。最大應(yīng)力出現(xiàn)在焊件周圍棱角上，這是由于模擬時在該處施加了位置限制的邊界條件而導(dǎo)致應(yīng)力偏大。圖6b為焊接剛完成時的應(yīng)力分布情況，此時殘余應(yīng)力的分布有明顯的規(guī)律，距離焊接熱源越遠則焊接殘余應(yīng)力越大，最小值位于還未凝固的焊縫處，僅為6.9MPa。隨著焊接的結(jié)束，焊件在余熱的作用下進行自回火。如圖6c 所示，當(dāng)焊件冷卻至殘余應(yīng)力趨于穩(wěn)定后，殘余應(yīng)力分布均勻，焊縫處未出現(xiàn)應(yīng)力集中，整體應(yīng)力在300MPa 左右。

圖6 不同時刻焊件應(yīng)力場云圖

圖7a～7c 展示了不同焊接速度下的殘余應(yīng)力云圖，可以看出，焊件的殘余應(yīng)力在三種焊接速度下均呈現(xiàn)均勻分布，焊縫及其附近區(qū)域的殘余應(yīng)力穩(wěn)定在300MPa 左右。隨著焊接速度的增加，焊件的殘余應(yīng)力呈增大趨勢，但增加幅度不大，最大等效應(yīng)力值由453MPa 增大到458MPa。這是由于焊接速度越低，焊縫處高溫停留時間越長，有利于焊后自回火。然而焊接速度過低會導(dǎo)致熔池寬度與深度增大，增加焊縫的稀釋率，不利于焊接過程的穩(wěn)定性。并且溫度過高、高溫停留時間過長易造成焊縫熱影響區(qū)晶粒粗化，使焊接接頭的力學(xué)性能下降，因此焊接速度即不能過小也不能過大。

圖7 不同焊接速度下的殘余應(yīng)力場

3 結(jié)論

本文基于有限元模擬的方法，研究了窄間隙埋弧焊焊接過程中溫度場及殘余應(yīng)力場的分布特征與變化規(guī)律，對比分析了焊接速度對溫度與殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，可得出如下結(jié)論。

（1）窄間隙埋弧焊焊接過程中，焊接速度的降低使得焊縫區(qū)域的加熱時間延長，導(dǎo)致各特征點的溫度更高，高溫停留時間更長，在一定程度上有利于焊后自回火。

（2）焊接過程中，熔池區(qū)域應(yīng)力較低而遠離熱源的區(qū)域應(yīng)力相對較高，焊接坡口兩側(cè)的壁面存在一定應(yīng)力集中。焊接速度導(dǎo)致的溫度場變化會進一步影響焊件的殘余應(yīng)力分布，在一定范圍內(nèi)，較慢的焊接速度能夠得到較小的焊接殘余應(yīng)力。