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基于SYSWELD对低合金钢焊接接头的数值模拟及实验分析_康惠

金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding 2010年12月

Hot Working Technology 2010,Vol.39,No.23

收稿日期:2010-06-28

作者简介:康惠(1986-),女,宁夏中卫人,硕士,主要研究方向:铝合

金焊接数值模拟;电话:159********;

E-mail :kanghui5037@https://www.sodocs.net/doc/0116755123.html,

焊接过程本身是一个复杂的传热、冶金过程,伴随着熔化和凝固、加热和冷却等过程,期间发生的相变过程直接影响到焊缝的组织及成分分布。近焊缝区在焊接过程中成为焊接接头的薄弱环节,直接影响到焊件的承载能力及焊件的使用寿命。进行焊接过程中相变过程的预测对指导焊接生产,尤其大型、高成本复杂构件显得尤为重要。

目前焊接领域大量采用数值模拟的方法研究焊接温度场、应力应变场等,对于焊接过程中熔池的相变和组织成分的模拟研究还处于探索阶段。法国

ESI 公司开发的焊接专用数值模拟软件SYSWELD

拥有自身强大的数据库,将材料的CCT 曲线融合进去,使得该软件对材料焊接过程中接头组织的分析成为可能,进而为预测材料的各种物理性能奠定了基础。本文采用该软件,考虑到材料热物理性能的

非线性变化,采用合理的双椭球体热源模型,以低合金结构钢Q345D 表面重熔焊为例进行了数值模拟,重点讨论了焊接过程中各相随温度的变化,并对实验得到的焊接接头进行金相组织分析,以验证数值模拟结果的正确性。

1焊接过程数值模型的建立

1.1数值模型基础[1]及材料的热物理性能参数

计算电弧焊焊接金属焊件的焊接过程时,要选择合适的方法,避重就轻,突出所考虑的焊接过程的主要方面,而忽略一些次要的因素,以此简化计算。本文对焊件的模拟基于以下假设:①沿板厚方向的温度分布是均匀的,即板上的热流是二维的;②认为电弧热是施加在焊件焊接线上的线状热源。

Q345D 钢的热物理性能如表1所示。

基于SYSWELD 对低合金钢焊接接头的

数值模拟及实验分析

康惠,凌泽民,齐喜岑

(重庆大学材料科学与工程学院,重庆400044)

要:基于焊接专用有限元模拟软件SYSWELD 对Q345D 低合金钢CO 2焊焊缝组织成分进行了数值模拟研

究,并对焊接接头进行了金相分析。结果表明:模拟结果与实验结果基本吻合,Q345D 低合金钢焊后冷却至大约300℃时,其焊缝组织奥氏体、马氏体、贝氏体百分比含量约为6∶54∶40。

关键词:SYSWELD ;双椭球体热源;相成分中图分类号:TG401

文献标识码:A

文章编号:1001-3814(2010)23-0200-03

Numerical Simulation and Experimental Analysis on Welded Joint

of Low -alloy Steel Based on SYSWELD

KANG Hui ,LING Zemin ,QI Xicen

(College of Material Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China )

Abstract :Based on software SYSWELD,the composition of the weld seam of low-alloy structural steel by CO 2arc welding was stimulated.And the metallographic structure of the welded joints was analyzed.The results show that the simulation results are consistent with the experimental results.When low-alloy steel Q345D cools to about 300℃after welding,the simulated results show that the percentage content of austenite,martensite and bainite in metallographic structure is 6∶54∶40.

Key words :SYSWELD;double ellipsoid heat source;phase composition

固相线温度

/℃液相线温度

/℃相变潜热

/(J ·kg -1)Ac 1

/℃Ac 3/℃M s /℃1440

1505

270000

727

867

420

表1Q345D 低合金钢的热物理性能

Tab.1Thermal physical parameters of

low alloy steel Q345D

200

金属铸锻焊技术

Casting ·Forging ·Welding 上半月出版《热加工工艺》2010年第39卷第23期

1.2双椭球体热源模型[1]

建立焊接热源物理模型必须考虑:①热源作用在焊件上的有效热能;②作用于焊件上的热量的分布情况。进行焊接热过程和数值模拟的前提和条件是考虑以上因素来建立合适的焊接热源物理模型。

焊接过程中熔池是在运动状态下结晶的。本文采用半自动CO 2气体保护焊对Q345D 钢板进行表面重熔焊,熔池是以等速随热源而移动的。在熔池中金属的熔化和凝固过程是同时进行的,在熔池的前半部进行熔化过程,而熔池的后半部进行凝固过程。据此,数值模拟选择双椭球体热源模型,其分布区域示意图如图1所示。为提高计算精度,应用了

SYSWELD 特有的热源校正工具对热源进行了校

正,使热源熔池最终和实际熔池基本吻合。

其前、后半部椭球体内的热流分布为:

q f (x,y,z )=63姨(f f Q )ππ姨a f b h c h exp(-3x 2a f -3y 2

b h -3z 2

c h

),x ≥0q r (x,y,z )=63姨(f r Q )ππ姨a r b h c h exp(-3x 2a 2r -3y 2b 2h -3z 2

c 2

h

),x ≤0式中:a f ,a r ,b h ,c h 为双椭球体的半轴参数;f f 、f r 是前、后半椭球体内热输入的份额;Q 为电弧有效热功率,Q=ηUI ,η为焊接热效率,CO 2气体保护焊η取值0.8[1])。

1.3网格划分

采用表面重熔焊,工件尺寸为200mm ×250mm

×8mm 。应用非均匀网格过渡划分方法,使焊缝及近

焊缝区网格细分,远离焊缝网格渐疏。网格划分如图

2,焊缝余高预先加在工件上,采用单元的激活技术

模拟移动热源及焊缝的形成过程来实现动态模拟。2结果分析及讨论

2.1模拟结果分析

图3为焊接线上某点3312处20s 内热循环曲线

及各相成分曲线。从图中看出,0~3s 时,加热尚未至该点,即母材组织未发生变化,此时该点存在大量铁素体;3~3.3s 时,温度升至共析温度Ac 1(727℃)以上,此时铁素体含量随温度升高而降低,奥氏体含量随之不断增加;4s 时,即温度升至峰值时,此时铁素体含量降低至0,奥氏体含量达到峰值,几乎为

100%,可知此区间铁素体完全转变成了奥氏体,即

发生了相变重结晶;8.5s 时,温度降至约600℃,奥氏体含量随温度降低而降低,开始有贝氏体出现,其含量随温度降低而升高,至11.5s 左右其含量达

40%,随后保持不变,可以预测此过程中发生了贝氏

体转变[2];11s 时,温度约420℃即马氏体转变温度

时,奥氏体含量随温度降低不断减少,马氏体(母材中

w C ≤0.18%,故可以断定马氏体为板条状马氏体[3])含

量随之不断增加;20s 时,温度降至300℃,此时该点组织为板条马氏体+贝氏体+奥氏体,且此时奥氏

体、马氏体、贝氏体百分比含量约为6︰54︰40。

2.2实验结果分析

图4为焊接接头各区的显微组织。其中(a )为焊缝组织,由白色的铁素体、黑灰色珠光体、贝氏体组成;(b )为熔合区组织,其左下侧为焊缝组织,右上侧

y

z

x 图2有限元网格模型

Fig.2Model of finite element mesh

60

50

40

302010

100

80

604020010080

60

40200贝氏体(%)

马氏体(%)

铁素体(%)

4540

3530

25

2010温度/℃

2500200015001000500

0奥氏体(%)

铁素体贝氏体马氏体奥氏体温度

5

101520

时间/s

图3焊接过程中各相成分随温度变化的曲线

Fig.3The phase composition changing with temperature

in the welding process

图1双椭球体分布区域示意图

Fig.1Distribution area of double ellipsoid

c h

x

z

y O

b h

a r

a f

201

金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding 2010年12月

Hot Working Technology 2010,Vol.39,No.23

为母材过热区组织;(c )为过热区组织,因其靠近熔合区,受温度影响比较大,晶粒粗大,又因该区域冷却速度较快,其组织中出现了羽毛状的贝氏体和马氏体;(d )为相变重结晶区,母材被加热到Ac 3(867℃)以上稍高温度时,该区域组织在完全奥氏体化过程中发生重结晶,但因在此过程中加热速度快,加热和冷却过程之间没有时间停留,故晶粒来不及长大,形成了细小均匀的组织[2];(e )为不完全重结晶区,该区域部分组织奥氏体化,故存在细小均匀的奥氏体区域,同时存在母材中未转变的粗大铁素体,最终该区域组织由大块状保留铁素体相、细小铁素体、珠光体组成;(f )为Q345D 的母材组织,由黑色带状珠光体和白色铁素体组成,其中,铁素体的含量很高。

2.3讨论

由上述分析可知,0~3s 时,母材组织中存在大量铁素体是由于母材内珠光体中铁素体含量占

88%[4],独立存在的铁素体含量也较高,造成母材中

铁素体总体百分比很大。共析温度以上铁素体转变过程对应不完全重结晶区与重结晶区的奥氏体化过程,此过程完成后,铁素体完全转变为奥氏体。随后发生的贝氏体转变与马氏体转变过程,在金相分析中观察到了贝氏体、马氏体的存在。由此可知:采用

SYSWELD 焊接专用模拟软件对焊接过程中各相成

分随温度变化的模拟,可以预测焊接加热过程及冷却过程时焊接接头中发生的相变过程,模拟结果与实验结果基本一致,并且能够定量预测各相含量的百分比。表明SYSWELD 仿真软件对一些大型、复杂焊接构件进行焊接接头组织成分的预测可行,进而可以预测材料的物理性能,以指导生产工艺,提高生产效率。由于模拟过程中对电弧和熔池的假设还不够接近实际,仍存在一定的误差。

3结论

(1)采用SYSWELD ,在参数设置合理的条件下

能够较为准确的预测焊接过程中的组织成分变化。

(2)通过SYSWELD 软件模拟焊缝组织可以有

效预测焊接过程中各相随温度的变化,定量了解焊缝组织中某时刻各相成分百分比含量。参考文献:

[1]武传松.焊接热过程与熔池形态[M].机械工业出版社,

2007.22-39.

[2]崔忠圻.金属学及热处理[M].机械工业出版社,2006.

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[3]刑淑清,陈重毅,麻永林.60mm 厚16Mn 特厚板焊接接头组织及力学性能研究[J].热加工工艺,2009,38(19):21-27.[4]

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