Q690高強鋼中厚板ForceArc焊接過程的數值模擬

張文平 周倩 鹿素芬

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.24.051

摘 要：該文針對ForceArc焊接過程的新特點，建立適用的體積熱源模型，利用SYSWELD商用軟件，通過數值模擬的方法，對焊接溫度場進行有限元分析，研究了不同預熱溫度、層間溫度對焊接熱物理過程和焊縫成形的影響，優化焊接參數，并結合少量試驗結果進行驗證。

關鍵詞：ForceArc 溫度場 SYSWELD 有限元分析 數值模擬

中圖分類號：TG457.11 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）08（c）-0051-02

ForceArc焊以其飛濺少、熔滴細小、電弧挺直度高、能量集中穩定、再次起弧性能優異等優點，獲得眾多用戶的青睞[1-2]。實驗表明，ForceArc對焊接20 mm厚Q690低合金高強鋼十分高效，但此焊接方法本身所包含的焊接參數過多；同時，焊接過程中母材與焊縫金屬均經歷多次焊接熱循環過程，整體溫度場變化復雜，對焊接質量、結構完整性等產生重要的影響[3]，僅靠焊接試驗獲得最佳焊接工藝參數費時費力。利用SYSWELD分析軟件進行分析，并結合少量試驗驗證，是優化焊接工藝參數的有效途徑。

該文擬根據ForceArc新工藝焊接過程的實際特點，建立相關熱源模型，并結合少量實驗驗證，研究不同預熱溫度、層間溫度對焊接過程及焊縫成形的影響，提高焊接熱循環的計算精度，為HAZ組織、硬度以及應力的預測提供參考。

1 SYSWELD分析模型建立

1.1 工件熱物性參數

表1是所用Q690低合金高強鋼化學成分表，由于目前尚缺乏其不同溫度下的熱物性參數，該文模擬時采用與其化學成分類似的S355J2G3熱物性參數代替。

1.2 熱源模型建立與調試

坡口形狀、角度及其尺寸通過影響電弧形狀及熔滴熱焓在工件內的分布，進而影響根部熔透及最終焊接變形，因此焊接熱源模型須適應ForceArc焊接過程和坡口形式的特點。實驗工件為300 mm×300 mm×20 mmQ690低合金高強鋼，開30°雙V型坡口，根據實際焊縫形狀（如圖1（a）、圖1（c）所示），熱源采用雙橢球熱源與高斯圓臺熱源相結合的復合熱源，如公式（1）所示：

（1）

其中，。 （2）

實驗焊接參數為：焊接電流363.4 A，電弧電壓33.1 V，焊速40 cm/min，上下V型坡口均分別采用單道焊填充。經過反復熱源校核，最終獲得復合焊接實際的熱源參數為：=3 mm，=4 mm，b=5 mm，c=0.5 mm，+=4 983.7 W；=5 0000 W，=1.5 mm，=1 mm，=10 mm，=0。圖1是焊縫橫斷面實驗結果與計算結果的對比，可以看出，所采用的復合熱源模型能過較好地反映ForceArc焊接過程及坡口形式的特點。

2 數值模擬計算結果與分析

2.1 預熱溫度對焊縫溫度場及焊縫成形的影響

焊接冷卻時間t8/5對焊縫組織和性能起著決定性的影響。因此，研究焊接參數對t8/5的影響，對提高焊接質量具有重要意義。表2為距離焊縫中心線8.15 mm處（ID：19812）不同預熱溫度下的t8/5計算值。數據顯示，隨著預熱溫度的上升，t8/5逐漸增大，且預熱溫度越高，t8/5增加幅度越大。計算表明，當焊前預熱溫度由室溫提高至100 ℃，焊縫區附近馬氏體組織所占比例由72%降低至62%左右；焊縫區附近貝氏體組織所占比例則由27%提高至36%；同時焊縫區附近鐵素體組織所占比例由0.45%提高至0.50%。可見，提高預熱溫度可有效降低焊縫附近的馬氏體含量，避免Q690低合金高強鋼焊接冷裂紋；但預熱溫度過高，會帶來HAZ軟化等問題。

2.2 層間溫度對焊縫溫度場及焊縫成形的影響

層間溫度主要影響工件第二道，即背面下V型坡口的焊接過程。該文研究對象為距離焊縫中心線8.15 mm處（ID：19784）不同預熱溫度下的t8/5計算值。表2、表3的計算結果表明，提高預熱或層間溫度均能夠提高t8/5，降低焊縫的冷卻速度；對于同樣的初始溫度，工件上V型坡口焊縫t8/5的計算值大于工件下V型坡口焊縫t8/5的計算值。這主要是焊接背面第二道焊縫（工件下V型坡口）時，已存在的第一道焊縫（上V型坡口）一方面能夠吸收更多的電弧熱量，降低點（ID：19784）的峰值溫度；另一方面能夠加快高溫金屬的冷卻過程。因此，上下兩道焊縫，欲獲得相同的冷卻速度，實現相同的焊縫組織及比例，層間溫度應高于預熱溫度。

表4是不同層間溫度對焊縫熔寬、熔深的影響，層間溫度對焊縫成形影響效果有限。但由于焊接第一道焊縫后，不均勻的加熱-冷卻及相變過程促使焊縫橫向收縮不均勻，進而工件產生角變形，致使工件背面下V型坡口角度增大至30.4°。增大的坡口角度利于焊接能量向焊縫根部及焊縫寬帶方向上傳遞，從而導致工件在相同的焊前溫度條件下，第二道焊縫的熔深、熔寬計算結果略大于第一道焊縫的結果。

3 結論

（1）該文所建立雙橢球-高斯圓柱復合熱源模型能夠較好地反映ForceArc新焊接技術特點，計算結果與實驗結果吻合良好。

（2）提高預熱溫度或層間溫度，能夠有效提高t8/5焊接冷卻時間，從而對焊縫組織及比例產生影響，但對焊縫熔深及熔寬影響有限。

（3）為了保持雙V型坡口上下焊縫冷卻速度相同，第二道焊縫焊接時的層間溫度應高于第一道焊縫焊接時的預熱溫度。

參考文獻

[1] 陳龍.基于超微弧特性的SMA490BW鋼焊接工藝試驗研究[J].電焊機，2013，43（9）：55-59.

[2] Kocab H D，張洪.采用新型焊接電弧提高焊接生產的經濟效益和焊縫質量[J].焊接，2010（5）：33-39.

[3] 李慧娟，黃振華，李正任.多層多道焊焊接工藝數值模擬技術[J].焊接學報，2010，39（11）：25-28.