厚板埋弧焊接頭焊后感應熱處理應力場的數值分析

王云，梁民航，趙朋成，王璐璐

(青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061)

0 引言

機械、橋梁、船舶等工程制造項目中常用到厚度超過20mm的厚板鋼，一般使用埋弧焊成形。厚板鋼在進行埋弧焊時，由于焊接時瞬時溫度非常高，焊接接頭與母材區形成較大的溫差，使厚鋼板焊件中存在較大的殘余應力，嚴重影響厚板鋼結構的使用性能，在實際的生產中常用焊后熱處理來消除焊接結構中的殘余應力[1]。

與目前工程中常用的電阻和火焰加熱等熱處理方式相比較，感應加熱具有能量利用率高、溫度控制精確等優點。利用感應加熱進行>25mm的厚壁焊縫的焊后熱處理加熱，熱處理效果更佳[2]。此外，感應加熱能夠實現焊接結構的局部熱處理，降低加熱成本，提高加熱生產效率。

多數學者采用實驗方法來研究焊接工件中的殘余應力[3]，然而常規的試驗研究無法得到厚板內部的應力分布。計算機技術的發展使得利用模擬軟件來研究焊接或熱處理過程中工件內部的殘余應力分布變得相對容易。張磊等[4]模擬了雙絲窄間隙埋弧焊焊接過程，指出雙絲焊具有較大的熔敷率，焊接時電流波動對側壁熔合區幾乎無影響。DI LUOZZO N等[5]分析了感應加熱碳鋼管工件的過程，通過調整參數，得到工件表面和內部溫度隨感應加熱工藝參數不同而變化的規律，為感應加熱工藝參數的選取提供了依據。然而，大多數學者只是單獨地對埋弧焊熱過程或者感應加熱過程的溫度場和應力場進行分析，并未涉及焊接后立即用感應加熱進行焊后消應力熱處理的研究，構建一個焊接后立即消應力的焊后熱處理數值模型具有十分重要的工程應用價值。

本文使用ANSYS軟件，建立25號鋼的熱-力數值分析模型，研究埋弧焊焊接25號厚板鋼的溫度場與應力場的分布規律以及焊后感應消應力熱處理后工件的殘余應力分布及變化，并分析產生變化的機理。

1 數值分析模型的建立

1.1 埋弧焊熱-力模型

以尺寸700mm×130mm×40mm的25號鋼的埋弧焊為研究對象，建立了焊接過程的熱-力耦合模型，坐標系統的設置如圖1所示。所用焊接電流為647A，電弧電壓為32.9V，焊接速度為3.7mm·s-1，取熱輸入效率為0.9[6]。所用材料的各項參數詳見文獻[7]。

采用ANSYS進行模擬，熱分析使用solid70單元，結構分析使用solid185單元。焊接接頭處網格劃分密集，以適應該處溫度較高且瞬時變化較大。本文使用的熱源是雙橢球熱源[8]，如圖1所示，計算時，焊縫區采用生死單元，且只考慮工件表面與空氣的對流換熱。

圖1 雙橢球熱源模型

1.2 感應熱處理模型

本次研究主要針對焊后感應熱處理對于降低厚板鋼工件內部殘余應力的作用效果，所以熱處理溫度是關鍵。采取的方法是將感應加熱熱處理隨時間變化的溫度作為熱載荷作用在焊接接頭上，以此來進行焊后感應熱處理應力場的分析。

焊后感應熱處理時，將直徑為26mm的感應電纜纏繞成橢圓平面線圈，水平固定在焊縫所在的工件表面，如圖2所示。熱處理工藝為：焊后立即用保溫棉包裹工件，感應加熱至550℃，保溫2h，然后冷卻至200℃解開保溫棉空冷。感應加熱參數分別是：功率為1.5kW，電流為49.5A，頻率為10.6kHz。

圖2 感應加熱線圈纏繞方式

2 結果與討論

2.1 焊接溫度場

利用所建立的熱-力學模型，計算獲得了厚板埋弧焊平板堆焊瞬態溫度場。圖3給出了埋弧焊焊接厚鋼板過程中溫度場隨時間變化情況。可以看出，焊接剛開始時熔池尺寸隨焊接的進行慢慢變大，在8s后尺寸基本不再改變，穩定后的熔寬、熔深分別為26mm和8mm。焊接熔池跟隨焊接熱源移動，熔池內最高溫度為1 800℃，焊接接頭處的溫度梯度由大到小依次為焊縫區、熱影響區和母材區。

圖3 焊接接頭瞬態溫度分布

2.2 焊接應力場

經過計算得到了平板埋弧堆焊的瞬態應力場，圖4給出了焊接過程等效應力場隨時間變化的瞬態分布。結果表明：焊接過程中熔池內為液體，幾乎沒有等效應力；焊接等效殘余應力最大的區域是焊縫處，為251 MPa。從圖4(d)可以看出，焊接接頭冷卻至室溫，距離焊縫中心越遠的區域，等效殘余應力數值越小。接頭處等效殘余應力數值由高到低依次為焊縫區233MPa、熱影響區189MPa、母材區51MPa，焊縫區出現應力集中較為嚴重。

圖4 焊接接頭瞬態等效應力分布

圖5(a)、圖5(b)分別為最終冷卻結束后焊縫殘余應力沿x(垂直于焊縫方向)及z方向(熔深方向)的分布。由圖5(a)可知，殘余應力在焊縫中心處最大，為233MPa。原因是焊縫中心溫度最高，所以熱應力最大。從焊縫區向母材方向溫度逐漸降低，焊縫區的高溫通過工件材料的熱傳導將熱量傳遞給母材區，離焊縫中心區域越遠，溫度越低，熱應力越小，熱應力減小的速率隨之減小。此外，焊縫中的約束應力最大，熱影響區和母材區的較小，這是因為焊縫區產生的變形比熱影響區和母材區大得多[1]。

圖5 焊后殘余應力沿x、z方向分布

從圖5(a)中可知，在點(20mm、40mm、0mm)處的殘余應力迅速降低，因為此區域處于焊接接頭與母材區的交界處，焊接過程中，焊接接頭的溫度較高，比母材區的溫度高得多，因此接頭處的應力集中比母材嚴重很多，殘余應力也比母材區大很多，所以二者之間存在很大的殘余應力梯度。

由圖5(b)可知，從z軸方向上看，等效殘余應力在厚板表面一段距離內開始變化不大，之后迅速減小，在厚板的底部趨于穩定，在z方向0～20mm內，殘余應力穩定在220～240MPa左右，在21～29mm內急劇下降，在30～40mm范圍內趨于穩定。這是由于焊接時在z軸方向上溫度梯度分布不均勻，圖3中溫度梯度先由1 800℃極速降到1 000℃，再由1 000℃降到500℃以內，最終穩定在室溫。溫度梯度逐漸減小，溫度梯度變化速率先穩定再急劇減少，最終再趨于穩定。

2.3 焊后感應熱處理應力場

焊接完成后立即進行感應加熱消應力熱處理，計算熱處理后工件的殘余應力分布。圖6給出了感應后熱處理過程中不同時刻工件的應力分布。比較圖6(d)和圖4(d)可以看出，感應熱處理后，焊縫區的最大殘余應力從233MPa減小到160MPa，熱影響區的從189MPa下降至135MPa，母材區的從51MPa下降至37MPa，母材區下降幅度相對較小。由此可以看出，本文所設計的感應加熱后熱處理工藝能夠明顯降低工件中的殘余應力。

圖6 感應加熱過程中的等效應力分布

圖7為焊后感應熱處理前后不同方向等效殘余應力對比。由圖7(a)可知，在x軸方向上焊后感應熱處理前后的殘余應力分布曲線走向基本相同。焊縫區的最大殘余應力在熱處理后減小至160MPa，相比較熱處理前降低了30%。這是因為感應熱處理時，工件溫度升高，屈服強度變小，從而使殘余應力降低[9]。由圖7(b)可知，在z方向21mm處，熱處理前焊后工件中最大殘余應力值為230MPa，經過熱處理后下降到90MPa，最大降低了60%。由此證明，感應焊后熱處理工藝能夠有效消除殘余應力。

圖7 感應加熱前后殘余應力對比

3 實驗驗證

埋弧焊焊接實驗使用MZ-1000埋弧焊機，焊接材料與參數跟數值分析中所使用的一致。焊后橫向剖開焊道，利用OLS4100激光共聚焦顯微鏡觀察焊件熔池形狀，獲得焊縫輪廓，如圖8所示。從圖中可以看出，試驗所得熔池寬度與計算值基本一致，但熔深有一定的誤差，模擬值較實測值略小。這可能是因為模擬時忽略熔池內液體流動所致。

圖8 實驗與模擬熔池輪廓對比

使用ASM2-3-X旋鈕式應力檢測儀檢測焊接完成后工件內部的殘余應力，共測4個點，分別距離焊縫中心0mm、16mm、18mm、70mm。圖9是實驗測得的殘余應力數據與數值分析結果的對比，二者的相符程度較好。因此，模擬分析結果可以較為準確地表征焊接過程及熱處理效果。

圖9 實驗與數值分析殘余應力對比

4 結語

1)在本研究所確定的焊接參數下(焊接電壓為32.9V，焊接電流為647A)，埋弧焊焊接時焊縫中心的溫度最高，可達到1 800℃，熔寬和熔深分別為26mm和4mm，與試驗結果基本符合。

2)焊接接頭處的焊后殘余應力主要是拉應力，焊縫區最大殘余應力值為233MPa，熱影響區值為189 MPa，母材區值為51MPa。

3)焊后感應熱處理工藝能明顯地消除接頭處的殘余應力。在本文制定的工藝下(熱處理溫度550℃，保溫2h，緩冷至200℃后空冷)，焊縫區最大殘余應力值為160MPa，熱影響區值為135MPa，母材區值為37MPa，焊縫區殘余應力減小最多，達到30%。