船用EH36板兩層兩道焊接溫度場分布

鄭 剛，陳萬榮，王 勻，朱 凱，殷蘇民

(江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江212013)

0 引 言

焊接過程中，從接頭到母材，焊接熱源引起高度不均勻的溫度分布，在加熱和冷卻的過程中，熱膨脹和收縮不可避免地產生變形和殘余應力［1－3］，這極大的影響了接頭質量。因此，焊接熱循環過程一直都是國內外諸多學者關注的重點。

多層多道焊涉及到焊接層數多并且焊道多，使得焊接過程變的非常復雜，而且由于大型焊接結構成本高，生產周期長，對整個結構進行試驗研究幾乎不可能［4］。在實際生產過程中，一般采用的方法是理論與試驗相結合，所以對焊接溫度場的有限元模擬是必要的，而且對焊接溫度場的精確分析以及焊接工藝參數對溫度分布和變化影響的預測，都需要應用有限元模擬方法，這不僅可以節省大量的人力、財力和物力，而且可以解決無法直接在試驗室進行研究的復雜問題［5］。

本文基于有限元軟件Abaqus，以8 mm 厚的船用鋼板EH36 為研究對象［6］，選用CO2氣體保護焊焊接方法，通過用戶子程序對焊接溫度場進行數值模擬，研究層間溫度對焊接溫度場的影響。

1 有限元模型建立

1.1 試驗材料與方法

考慮2 塊60 mm×45 mm ×8 mm 規格的鋼板對接焊，模擬采用2 層2 道焊，試件開40°Y 型坡口，打底焊間隙為2 mm。第1 道焊接參數為:焊接電流180 A，電壓26 V，焊接速度為6 mm/s，層間冷卻時間為10 s;第2 道焊接參數為:焊接電流200 A，電壓28 V，焊接速度為6 mm/s。

表1 EH36 鋼化學成分(wt.%)Tab.1 The chemical composition of EH36 (wt %)

圖1 焊接模型示意圖Fig.1 The sketch of welding model

圖2 焊接順序Fig.2 The welding sequence

鋼板材料為EH36，其化學成分如表1所示。焊接模型和焊縫區的焊接順序如圖1和圖2所示，其中圖1 中A 點為0 點;1，2，3，4 區分別代表焊縫區、熱影響區、過渡區和母材區。

1.2 熱源模型

在進行焊接溫度場模擬時，熱源模型的正確選取十分重要，它關系到溫度場分析的精確性。根據中厚板焊接大熔深焊縫這一特點，應選用適宜于CO2氣體保護焊的雙橢球熱源模型［7］，雙橢球功率密度分布熱源模型如圖3所示。前半部分橢球內熱源分布為:

同樣，后半部分橢球內熱源分布為:

式中:Q 為熱輸入量;a1，a2，b，c 為橢球的半軸尺寸;ff和fr分別為橢球前后部分的能量分數，且ff+fr=2。

圖3 雙橢球熱源模型Fig.3 Double ellipsoid heat source configuration

1.3 網格劃分

為提高分析精度，采用網格局部細分法，在焊縫區及熱影響區進行網格細分［8］，焊縫區及熱影響區網格大小最小為0.5 mm×0.5 mm×2 mm，母材區網格大小最小為2 mm×7 mm×2 mm。選用DC3D8 單元，有限元網格模型如圖4所示，共有15 850個單元。

圖4 焊接模型網格劃分示意圖Fig.4 Meshing plate butt welding specimen

1.4 模型簡化

鑒于焊接過程的復雜性，需對焊接模擬過程進行簡化如下［10］:

1)忽略焊接前的工藝步驟，假設板材有理想化的幾何形狀且無殘余應力。

2)考慮與溫度相關的、各向同性的材料屬性。材料參數如圖5所示［10］。

3)對所有離散網格的外表面，設置史蒂芬－波茲曼輻射系數為0.85，對流傳熱系數為10 W/(m2·s·K)和室溫20 ℃。

圖5 材料的熱物理參數Fig.5 Material thermal physical parameters

4)不考慮焊板頂部和底部的余高。

2 數值模擬結果分析與討論

2.1 溫度場分析

圖6 為焊接過程中的溫度場分布圖，其中x為焊接方向 (見圖1)。從圖中可以看出，在焊縫區，溫度達到1 460 ℃，材料開始熔化，緊鄰焊縫區的區域溫度很高，為熔合區和熱影響區。在移動熱源將要通過的工件前部，預熱的區域非常小。沿著焊縫由移動熱源產生的熱量通過熱傳導、熱對流和熱輻射的方式進行熱傳遞。在焊接開始的區域，溫度驟降到600 ℃～650 ℃的范圍。

圖6 溫度分布Fig.6 Temperature distribution

圖7 為參考平面(x=46 mm)不同時刻的溫度分布圖，分別為移動熱源經過時和經過之后，溫度隨時間的分布。圖中預測了熔合區和熱影響區的邊界。焊接熔池中的熱量首先沿著厚度方向快速的傳遞，之后沿著寬度方向繼續傳遞，最后焊件各區域達到相同的溫度。很明顯可以看出，熱傳導在熱量傳遞過程中起著重要的作用，而熱對流和熱輻射的影響很小。

圖7 參考平面不同時刻的溫度分布Fig.7 Temperature history of a reference plane

圖8(a)為參考平面(z=4 mm)上垂直焊縫方向(y 方向)沿路徑(x=46 mm)不同時刻的溫度分布圖。從圖中可以看出，當焊弧剛經過的時候焊縫區和熔合區的溫度大幅度地增高，之后隨著時間的變化溫度迅速地下降，而焊縫區和熱影響區之外的區域隨著時間的變化溫度逐步地增加，這是因為焊縫區的熱量通過熱傳導向溫度低的區域進行熱傳遞的緣故。圖8(b)為參考平面(z=4 mm)上，當熱源移動到圖6 中的位置時，沿著焊縫方向(x 方向)的溫度分布圖。從圖中可以看出，靠近熔合區(y=2.5 mm)區域的溫度急劇下降，而遠離熔合區區域的溫度以不同的比率增加。

圖8 參考平面的溫度分布Fig.8 Temperature distributions of a reference plane

圖9 為參考平面(z=4 mm)上垂直焊縫方向(y 方向)所選節點的熱循環曲線圖，所選節點為焊縫中心節點以及距焊縫中心3.0 mm，4.0 mm，6.0 mm，10.0 mm 處的節點。從圖中可以看出，在焊接開始后不久溫度場便進入準穩態，移動熱源所到達的區域，溫度快速升至2 000 ℃以上，在移動熱源離開該區域后，溫度又迅速下降。隨著距焊縫中心距離的增大，相應區域的溫度變化幅度顯著減小。在焊接10 s 后，進入層間冷卻時間，冷卻時間為10 s，焊件冷卻時，各點溫度逐漸趨于某一值，之后進入第2 道焊接，所選的節點再次上升到該焊道所在溫度的最高值，隨后溫度又再次下降，在最后的冷卻過程中，溫度逐漸降低，最終趨近于室溫。

圖9 焊接全過程垂直焊縫方向所選節點熱循環曲線Fig.9 The weld thermal cycle curve of the selected nodes

2.2 層間冷卻時間對溫度場的影響

在熔合區上選擇典型節點，然后繪出相同點的熱循環曲線比較圖，如圖10所示。

圖10 焊接典型節點熱循環曲線比較圖Fig.10 The weld thermal cycle curve of the selected nodes

從圖10 可知，第2 道焊接是在第1 道焊接造成的預熱狀態下進行焊接的，隨著層間冷卻時間的增加，不但第2 焊道所在溫度的最高值有所降低，而且層間溫度明顯減小。焊接過程中，每個節點都經歷了2 次熱循環，只有層間冷卻時間為30 s 時，所選節點的溫度在第2 道焊接時的加熱峰值溫度低于1 200 ℃，這樣會被第2 道焊接退火，使強化行為變得更為有利，而且只有當層間冷卻時間為30 s 時，第1 焊道和第2 焊道的層間溫度在200 ℃～250 ℃之間，效果最好。

3 結 語

1)建立了EH36 平板對接兩層兩道焊接的數學模型，進行焊接溫度場的三維動態分析，分析了焊接過程的溫度分布和變化，以及各個節點熱循環曲線的變化規律。

2)研究了層間冷卻時間對焊接溫度場的影響，結果表明層間冷卻時間對焊接溫度場有重大影響，影響層間溫度和第2 焊道的峰值溫度，當層間冷卻時間為30 s 時焊接效果最好。

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