基于SYSWELD的大厚板窄間隙雙絲埋弧焊熱過程數(shù)值模擬

摘" 要： 基于60 mm厚Q345R鋼，開展了窄間隙雙絲埋弧焊焊接試驗(yàn)，得到了合理的工藝參數(shù)，焊縫成型平整均勻無任何缺陷.通過SYSWELD有限元軟件對(duì)大厚板窄間隙雙絲埋弧焊焊接熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模擬的熔池寬與高和實(shí)際相比，誤差率均控制在5%以內(nèi)，并利用熱電偶裝置測(cè)得熱影響區(qū)熱循環(huán)曲線與模擬的熱循環(huán)曲線變化趨勢(shì)基本一致，具有升溫快，降溫慢的特點(diǎn)，驗(yàn)證了該模型的有效性.為后續(xù)利用該模型，進(jìn)一步探究不同參數(shù)或邊界條件對(duì)于大厚板窄間隙雙絲埋弧焊焊接熱過程與應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律提供理論指導(dǎo).

關(guān)鍵詞： 大厚板；窄間隙雙絲埋弧焊；熱過程；數(shù)值模擬；SYSWELD

中圖分類號(hào)：TG445""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""" 文章編號(hào)：1673-4807（2024）05-045-06

DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.007

收稿日期： 2023-03-16""" 修回日期： 2021-04-29

作者簡(jiǎn)介： 周方明（1964—），男，博士，教授，研究方向?yàn)楹附釉O(shè)備與質(zhì)量控制方向的教學(xué)、學(xué)術(shù)研究與工程應(yīng)用.E-mail：13861357326@163.com

引文格式： 周方明，單磊，楊志東，等.基于SYSWELD的大厚板窄間隙雙絲埋弧焊熱過程數(shù)值模擬［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），202 38（5）：45-50.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.007.

Numerical simulation of thermal process of narrow gap twin-wiresubmerged arc welding of large thick plate based on SYSWELD

ZHOU Fangming1， SHAN Lei1， YANG Zhidong1， ZHAO Lizhong2， SUN Yajie3， ZHU Shasha3

（1.Jiangsu Key Laboratory of Advanced Welding Technology， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

（2.CCCC Third Harbor （Nantong） Offshore Engineering Co. Ltd.， Nantong 226200， China）

（3.Erchong （Zhenjiang） Heavy Equipment Co. Ltd.， Zhenjiang 212001， China）

Abstract：Based on 60 mm thick Q345R steel， the narrow gap twin-wire submerged arc welding test was carried out， reasonable process parameters were obtained， and the weld was formed flat and uniform without any defects. Through SYSWELD finite element software， the thermal process of large thick plate narrow gap twin-wire submerged arc welding was numerically simulated and analyzed， and the error rate of the simulated molten pool width was controlled within 5% compared with the actual one， and the thermocouple device was used to measure the thermal cycle curve in the heat-affected zone， and the result was consistent with the simulated thermal cycling curve change trend， having the characteristics of fast heating and slow cooling， which verified the effectiveness of the model. This research provides theoretical guidance for further exploring the thermal process and stress-strain law of large thick plate narrow gap twin-wire submerged arc welding with different parameters or boundary conditions using the model.

Key words：large thick plate， narrow gap twin-wire submerged arc welding， thermal process， numerical simulation， SYSWELD

在現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展中，埋弧焊是各種大型制造業(yè)中的主要焊接技術(shù) ［1-4］.隨著焊件厚度的增加，窄間隙雙絲埋弧焊技術(shù)憑借其熔敷效率高、填充金屬少和熱輸入低等優(yōu)點(diǎn)在大型制造業(yè)中得到推廣應(yīng)用［5-7］.但是，重復(fù)性大厚板焊接試驗(yàn)需要消耗大量的人力物力，焊接數(shù)值模擬技術(shù)成為了研究大厚板焊接過程的先進(jìn)技術(shù)手段［8-11］.而焊接溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算和測(cè)量又是焊接冶金和焊接應(yīng)力-應(yīng)變熱彈性動(dòng)態(tài)分析的前提，因此，建立有效的大厚板窄間隙雙絲埋弧焊模型并研究其焊接熱過程具有重要的實(shí)際工程指導(dǎo)意義.

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［12］利用ABAQUS有限元軟件針對(duì)汽車轉(zhuǎn)子模型，進(jìn)行了二維數(shù)值模擬研究，得到了環(huán)形焊縫附近的熱過程及應(yīng)力分布.文獻(xiàn)［13］利用ANSYS軟件對(duì)RAFM鋼中厚板的多重焊接工藝進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)，為核聚變?cè)囼?yàn)堆的毯式設(shè)計(jì)與加工提供了參考.文獻(xiàn)［14］利用ANSYS有限元軟件建立了Q460高強(qiáng)鋼厚板多層多道GMAW焊有限元模型，溫度場(chǎng)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，并對(duì)熱循環(huán)曲線進(jìn)行了定量分析.文獻(xiàn)［15］文獻(xiàn)基于316L不銹鋼厚板材料，建立了高功率激光焊接和窄間隙激光焊接有限元模型，對(duì)比分析了兩種不同工藝下的溫度場(chǎng)及殘余應(yīng)力變化規(guī)律，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合.

目前，針對(duì)大厚板窄間隙雙絲埋弧焊的熱過程模擬研究較少，更多的是關(guān)于薄板或者中厚板的其它焊接方法或焊接接頭形式的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究.文中基于Q345R鋼進(jìn)行了大厚板窄間隙雙絲埋弧焊試驗(yàn)，并利用SYSWELD軟件模擬了其焊接熱過程，通過模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了該有限元模型的有效性.

1" 大厚板窄間隙雙絲埋弧焊試驗(yàn)

1.1" 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用長(zhǎng)300 mm、寬150 mm、厚60 mm、鈍邊為8 mm、R角半徑為10 mm的U形坡口Q345R板材，焊接位置為平焊，焊接方式為單層雙道焊，選取的焊絲牌號(hào)為CHW-S3R，直徑為4 mm，焊劑為CHF101R.

試驗(yàn)前除需進(jìn)行剛型固定外，由于隨著試板厚度的增加，還需要添加引流板和引弧板共同保證焊接過程中前后熔池液體不往兩邊流淌，造成焊接過程中焊道前中后高度不一致，影響試驗(yàn)效率和成型，試板裝配如圖 焊前試板做反變形措施，使得焊接時(shí)坡口寬度較水平對(duì)接位置坡口寬度增大5 mm.

試驗(yàn)設(shè)備主要由以下幾部分組成：型號(hào)為L(zhǎng)AF1251的交流焊機(jī)、型號(hào)為TAF801的直流焊機(jī)、OTMS公司生產(chǎn)的重型立柱－橫梁操作機(jī)、焊接機(jī)頭、焊劑存儲(chǔ)罐、焊劑烘干器、電器控制柜、PEK過程控制器等，如圖2.

焊接機(jī)頭如圖 由機(jī)械式上下高度傳感器滑輪、左右距離傳感器、焊劑輸送管、直流焊槍（垂直）、交流焊槍（傾斜）和焊劑回收管組成，直流焊槍主要負(fù)責(zé)控制焊縫的熔深，交流焊槍主要負(fù)責(zé)控制焊縫的熔寬.焊道分布如圖 焊接工藝參數(shù)如表1.

1.2" 試驗(yàn)結(jié)果

圖5為窄間隙埋弧焊試驗(yàn)打底層、填充層、蓋面層的焊縫形貌以及焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的宏觀金相.從圖中可以看出，焊縫成型平整均勻，母材與焊道、焊道與焊道之間熔合良好，中間層未出現(xiàn)任何的夾渣、側(cè)壁未熔合、咬邊等缺陷.且由于加強(qiáng)板固定和采用反變形等措施，焊接變形小且焊接后試板平整，成型較好.

2" 大厚板窄間隙雙絲埋弧焊物理模型建立

2.1" 有限元網(wǎng)格劃分

由于移動(dòng)熱源的熱物理模型各個(gè)參數(shù)的限制，在焊縫長(zhǎng)度方向，網(wǎng)格劃分過大，容易導(dǎo)致其長(zhǎng)度方向網(wǎng)格劃分的數(shù)目明顯增多，為保證后期計(jì)算結(jié)果的快速及準(zhǔn)確性，對(duì)于較長(zhǎng)的試板，通常可以在面積較大的表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該方法下，拉伸出來的網(wǎng)格數(shù)量相比沿著焊縫方向拉伸出的網(wǎng)格數(shù)量大大減少，便于提高計(jì)算效率.同時(shí)對(duì)焊縫長(zhǎng)度方向靠近熱影響區(qū)的地方進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格，遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的地方進(jìn)行粗化網(wǎng)格這兩種網(wǎng)格的劃分，有限元網(wǎng)格劃分后的模型如圖6.

2.2" 雙絲埋弧焊熱源模型

由于雙絲埋弧兩個(gè)焊絲間距較小，屬于雙熱源共同作用于熔池，直流焊槍在前，負(fù)責(zé)控制熔深，交流焊槍在后，負(fù)責(zé)控制熔寬，為了更好地體現(xiàn)熱源在大厚板厚度方向的熱傳導(dǎo)，依據(jù)熱源疊加原理，采用雙橢球熱源模型可以較好地模擬實(shí)際焊接過程.雙橢球熱源模型如圖7.

雙橢球熱源模型的能量分布由前后兩部分疊加而成，熱流分布函數(shù)表達(dá)式為［12］：

Q1（x，y，z）=63Qf1a1bcππexp-3x2b2+y2a21+z2c2，ygt;0（1）

Q2（x，y，z）=63Qf2a2bcππexp-3x2b2+y2a22+z2c2，y≤0（2）

f1+f2=2，f1=2a1a1+a2，f2=2a2a2+a1（3）

式（1～3）中：Q為焊接總熱輸入；Q1，Q2為雙橢球模型熱流分布；x，y，z為空間任一點(diǎn)與熱源中心在3個(gè)方向上的相對(duì)距離；a a b，c為雙橢球物理特征參數(shù)，其中，a1和a2為熱源輸入的最長(zhǎng)區(qū)域，b和c分別熔池的寬度和深度.

2.3" 材料性能參數(shù)

試驗(yàn)中的試驗(yàn)材料Q345R鋼與SYSWELD軟件中牌號(hào)S355J2G3材料的熱物理性能較為接近，因此選用S355J2G3作為模擬件的材料.在焊接中，焊縫金屬和母材的材質(zhì)差別較小，接近母材的性能，所以計(jì)算所需的材料物理參數(shù)可直接采用母材的性能參數(shù).

2.3" 邊界條件及初始條件設(shè)置

試驗(yàn)過程中，工件受到焊接熱源加熱使表面溫度高于周圍室溫，容易導(dǎo)致工件和周圍（空氣）存在溫度梯度，從而使工件與周圍介質(zhì)發(fā)生換熱現(xiàn)象.計(jì)算過程中焊接模擬件與周圍介質(zhì)的換熱通常是根據(jù)牛頓法則和斯蒂芬-波爾茲曼定律來計(jì)算的.試驗(yàn)依據(jù)試驗(yàn)時(shí)實(shí)際環(huán)境溫度，將外界溫度設(shè)為15 ℃.計(jì)算過程中，為了保證焊接模擬件在焊接過程中不發(fā)生剛體移動(dòng)，依據(jù)實(shí)際剛性固定點(diǎn)焊位置，對(duì)其施加X、Y、Z 3個(gè)方向的約束，剛性固定位置如圖8.

3" 模擬結(jié)果分析

由于大厚板窄間隙焊縫坡口深且窄，焊道的溫度分布不容易觀察，所以結(jié)果只列出第19道焊道某一時(shí)刻的溫度分布，溫度場(chǎng)如圖 此時(shí)前絲電流540 A、電壓31 V，后絲電流550 A、電壓32 V，焊接速度560 mm/min.

鋼的熔點(diǎn)在1 500 ℃左右，通過圖片可以看出窄間隙雙絲埋弧焊焊接過程中，填充層，第19道時(shí)刻，模擬出來的熔池長(zhǎng)90 mm、寬18.9 mm、高4.8 mm，而宏觀金相實(shí)際測(cè)得的第19道焊道的熔池寬19.5 mm、高4.6 mm.對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模擬出來的熔池大小與實(shí)際測(cè)得大小的誤差率在5 %以內(nèi).同樣，打底層第1道時(shí)刻，模擬熔池寬11.6 mm、高5.3 mm，實(shí)際測(cè)得焊道熔池寬12 mm、高5.1 mm.蓋面層，第24道時(shí)刻，模擬熔池寬22.8 mm、高3.7 mm，實(shí)際測(cè)得焊道熔池寬20 mm、高3.8 mm.以上模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差率均保持在5%以內(nèi)，模擬結(jié)果可以較好地反映實(shí)際熔池形貌.同時(shí)說明所建立的熱源模型可以較好地表征大厚板窄間隙雙絲埋弧焊雙電弧對(duì)于窄間隙坡口內(nèi)溫度分布的影響，其中熱源模型參數(shù)見表2.

為了證明該大厚板窄間隙雙絲埋弧焊有限元模型模擬出的溫度場(chǎng)結(jié)果的真實(shí)有效性，采用無紙記錄儀及熱電偶等設(shè)備，記錄實(shí)際焊接過程中焊縫附近的焊點(diǎn)熱循環(huán)曲線，圖10為焊接時(shí)熱電偶焊點(diǎn)位置分布，共布置3個(gè)熱電偶，距離焊縫邊緣分別為3、5、7 mm，其編號(hào)分別對(duì)應(yīng)為1、2、3.

以焊接第19道焊縫為例，實(shí)際測(cè)得和模擬得到的熱影響區(qū)熱循環(huán)曲線見圖11.從圖中可以看出，實(shí)測(cè)和模擬出來的熱循環(huán)曲線具有較好的重合度，證明了該有限元模型模擬結(jié)果的有效性，同時(shí)，研究結(jié)果表明：多層多道焊接過程中加熱階段和冷卻階段的溫度變化速率差距較大.當(dāng)電弧移動(dòng)到靠近測(cè)試點(diǎn)時(shí)，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)快速升溫并達(dá)到峰值溫度，距離焊縫坡口邊緣3 mm時(shí)，實(shí)測(cè)點(diǎn)最高溫度為1 096 ℃；距離焊縫坡口邊緣5 mm時(shí)，實(shí)測(cè)點(diǎn)最高溫度為710 ℃；距離焊縫坡口邊緣7 mm時(shí)，實(shí)測(cè)點(diǎn)最高溫度為609 ℃；遠(yuǎn)離測(cè)試點(diǎn)時(shí)，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)降溫較為緩慢，因此，熱電偶測(cè)溫點(diǎn)距離焊縫越近，對(duì)溫度變化越敏感.由于大厚板窄間隙埋弧焊的焊縫窄而深且焊劑覆蓋焊縫會(huì)導(dǎo)致焊縫區(qū)散熱性較差，只有當(dāng)焊縫區(qū)降溫至層間溫度（100～250 ℃）時(shí)才可以進(jìn)行下一道焊接，其中冷卻時(shí)長(zhǎng)極大地影響了試驗(yàn)效率.而影響冷卻速率的因素一般與材料本身的熱傳導(dǎo)性能、空氣接觸面大小和外部環(huán)境等因素有關(guān)，為了提高焊接效率，可以考慮采取一些外界降溫措施來控制試件的冷卻速率，同時(shí)通過控制冷卻速率可以抑制組織晶粒的生長(zhǎng)變大，從而起到細(xì)化組織晶粒提高焊接接頭質(zhì)量的作用.

4" 結(jié)論

（1） 基于Q345R鋼開展的大厚板窄間雙絲隙埋弧焊試驗(yàn)，采用單絲直流打底時(shí)，焊接電流為470 A、焊接電壓為27.5 V、焊接速度為500 mm/min.雙絲多層多道焊填充時(shí)，前絲：焊接電流為500～540 A、焊接電壓為31 V；后絲：焊接電流為500～550 A、焊接電壓為31～32 V，焊接速度為560～650 mm/min，焊縫成型平整均勻且無任何缺陷.

（2） 根據(jù)上坡口寬度測(cè)量變化規(guī)律，大厚板窄間隙雙絲埋弧焊的焊接變形主要發(fā)生在焊道總數(shù)的1/2時(shí)間之前.初始焊接時(shí)，坡口收縮明顯，隨著焊道數(shù)的增加，焊縫坡口寬度變形量逐漸減小，當(dāng)焊道數(shù)達(dá)到總焊道數(shù)的1/2時(shí)，坡口寬度基本不變.

（3） 通過SYSWELD有限元模擬軟件，建立了大厚板窄間隙雙絲埋弧焊模型，將金相截面焊道大小與模擬焊道截面大小對(duì)比進(jìn)行熱源校核，得到了準(zhǔn)確的熱源參數(shù)，模擬的熔池寬與高的誤差率均控制在5 %以內(nèi).并利用熱電偶裝置測(cè)得熱影響區(qū)熱循環(huán)曲線與模擬的熱循環(huán)曲線溫度變化趨勢(shì)基本一致，具有升溫快，降溫慢的特點(diǎn)，驗(yàn)證了該模型的有效性.

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（責(zé)任編輯：顧琳）