基于ANSYS的高強(qiáng)鋼厚板對接焊縫熱裂紋成因分析

董達(dá)善 賈曉帥 梅 瀟

(上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海200135)

焊接是一個(gè)包括熱力耦合、熱流耦合以及熱冶金耦合的復(fù)雜過程，焊接熱作用貫穿整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的制造過程中，焊接熱過程直接決定了接頭的顯微組織、焊接應(yīng)力與變形。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元方法的快速發(fā)展，采用有限元法通過計(jì)算機(jī)對焊接區(qū)拘束應(yīng)力的瞬時(shí)分布進(jìn)行了研究，同時(shí)結(jié)合裂紋和組織觀察來進(jìn)行全面分析，可以深入研究各種因素對焊接裂紋起裂和擴(kuò)展的影響。

本研究通過ANSYS有限元分析軟件，利用其熱耦合、結(jié)構(gòu)耦合及瞬態(tài)、非線性分析功能，采用高斯熱源模型，對高強(qiáng)鋼CO2氣體保護(hù)焊的三維焊接溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬。模型實(shí)現(xiàn)了對流、熱源載荷的影響，應(yīng)用單元生死，真實(shí)模擬了36 mm厚板13層、29道焊的工藝過程，在理論和仿真基礎(chǔ)上對焊接熱裂紋進(jìn)行了分析，并對焊接熱裂紋的消除和防止進(jìn)行了仿真分析。

1 三維有限元模型的建立

根據(jù)熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，對JFE-HITEN780S材料進(jìn)行了分析計(jì)算。圖1為兩塊700 mm×200 mm×36 mm板的非等速對接焊接過程，焊縫由13層焊層和29道焊道組成。

焊接過程是個(gè)熱力耦合的過程，在熱彈塑性分析的過程中，既需要計(jì)算溫度場，又需要計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變場。計(jì)算時(shí)采用了建立在子步級別上的間接耦合方式，通過熱分析單元SOLID70獲得各載荷步下的溫度場，然后將求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析SOLID45單元中從而獲得應(yīng)力應(yīng)變場。

焊接是一個(gè)溫度隨著空間和時(shí)間急劇變化的過程，溫度梯度很大，因此單元建立時(shí)將板分割成三部分：焊縫區(qū)、近縫區(qū)和遠(yuǎn)縫區(qū)。對不同的區(qū)域網(wǎng)格劃分的大小不同，焊縫區(qū)和近縫區(qū)較密，遠(yuǎn)縫區(qū)較疏，即保證了計(jì)算的精度，又大幅度減少了單元的數(shù)量。

2 材料的化學(xué)成分

母材和焊材的化學(xué)成分分別見表1和表2。

注：ri為實(shí)際焊接中焊縫上各焊道所在的焊接半徑圖1 焊接方式和焊縫的構(gòu)形Figure 1 The welding method and weld configuration

材料CMnSiSPNiMoVCrTiBNbCeqHITEN 780S0.221.530.300.0030.0160.020.02-0.200.0140.001 2-2.32

表2 焊材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 The chemical composition of weld metal(mass fraction, %)

3 ANSYS仿真中熱裂紋的出現(xiàn)

當(dāng)對厚板底部采用點(diǎn)焊方式固定時(shí)，即在仿真過程中開始對焊接底面進(jìn)行約束。對實(shí)際生產(chǎn)中JFE-HITEN 780S高強(qiáng)鋼CO2氣體保護(hù)焊的三維焊接溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬。模型實(shí)現(xiàn)了對流、熱源載荷的影響，應(yīng)用單元生死，對實(shí)際生產(chǎn)中JFE-HITEN 780S高強(qiáng)鋼的13層、29道的實(shí)體焊接工藝過程進(jìn)行仿真。在這種情況下，在焊件上表面出現(xiàn)焊接熱裂紋，如圖2和圖3所示。

圖2 焊接上表面熱裂紋整體分布形態(tài)Figure 2 The distribution of hot crack on upper welding surface

圖3 熱裂紋的局部形態(tài)Figure 3 The partial form of hot crack

由仿真結(jié)果可知，在相對較小應(yīng)力下(500 MPa左右)左右就出現(xiàn)了焊接裂紋(實(shí)際母材的屈服強(qiáng)度為780 MPa)。

4 熱裂紋成因分析

熱裂紋是焊接生產(chǎn)中比較常見的一種缺陷，從一般常用的低碳鋼、低合金鋼，到奧氏體不銹鋼、鋁合金和鎳基合金等都有產(chǎn)生熱裂紋的可能。關(guān)于熱裂紋的種類，主要有結(jié)晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋三種。但隨著這方面研究的不斷深入，人們把高溫空穴裂紋和蠕變裂紋(包括再熱裂紋)也都劃歸為熱裂紋的范疇。焊接生產(chǎn)過程中所遇到的熱裂紋，主要是結(jié)晶裂紋。結(jié)晶裂紋都是沿焊縫中的樹枝狀晶的交界處發(fā)生和發(fā)展起來的，如圖4所示。最常見的是沿焊縫中心的縱向開裂(見圖5)。有時(shí)也發(fā)生在焊縫內(nèi)部兩個(gè)樹狀晶體之間(如圖4)。

圖4 焊縫中結(jié)晶裂紋分布Figure 4 The distribution of intercrystalline crack in the weld

圖5 沿焊縫中心的縱向裂紋照片F(xiàn)igure 5 The photo of longitudinal crack along the weld center

結(jié)晶裂紋的這種分布，說明焊縫在結(jié)晶過程中晶界是個(gè)薄弱地帶。從金屬結(jié)晶理論可以知道，先結(jié)晶的金屬較純，后結(jié)晶的雜質(zhì)較多，并富集在晶界。一般來講，這些雜質(zhì)所形成的共晶都具有較低的熔點(diǎn)，如當(dāng)碳鋼或低合金鋼在焊縫含硫量偏高時(shí)，能形成FeS并與鋼作用而形成熔點(diǎn)只有988℃低熔共晶。在焊縫金屬凝固結(jié)晶的后期，低熔點(diǎn)共晶體被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成一種所謂“液態(tài)薄膜”，此時(shí)由于收縮而受到了拉伸應(yīng)力，這時(shí)焊縫中的液態(tài)薄膜就成了薄弱地帶。在拉伸應(yīng)力的作用下就有可能在這個(gè)薄弱地帶開裂而形成結(jié)晶裂紋(見圖6)。碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼中的磷、硅、鎳和不銹鋼、耐熱鋼中的硫、磷、硼、鋯等也都能形成低熔點(diǎn)共晶，而且不同元素所形成的低熔點(diǎn)共晶，它們的共晶溫度各不相同。

總的來說，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的原因，就在于焊縫中存在液態(tài)薄膜和焊縫凝固過程中受到拉伸應(yīng)力共同作用的結(jié)果。因此，液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的內(nèi)因，而拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的必要條件。

焊接熱裂紋是在焊縫結(jié)晶過程中產(chǎn)生的。但是在碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼之類的低碳鋼熔池結(jié)晶的三個(gè)階段(液固階段、固液階段、完全凝固階段)中產(chǎn)生熱裂紋的傾向是不相同的。其中固液階段產(chǎn)生熱裂的傾向最大。當(dāng)熔池結(jié)晶經(jīng)歷了液態(tài)金屬可以在晶界間自由移動的液固階段后，結(jié)晶繼續(xù)進(jìn)行。固相不斷地增多，且不斷長大，冷卻到某一階段時(shí)，已凝固的固相彼此發(fā)生接觸，并不斷傾軋到一起，這時(shí)液態(tài)金屬的流動就發(fā)生了困難，即熔池結(jié)晶進(jìn)入了固液階段。在這種情況下，由于液態(tài)金屬少(主要是低熔點(diǎn)共晶)，在拉伸應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的微小縫隙都無法填補(bǔ)，只要稍有拉伸應(yīng)力存在就有產(chǎn)生裂紋的可能，故把這個(gè)階段叫做“脆性溫度區(qū)”。即圖7上ab之間的溫度區(qū)間。

圖6 液態(tài)薄膜與結(jié)晶裂紋成因Figure 6 The liquid thin film and crystallization crack

圖7 熔池結(jié)晶階段及脆性溫度區(qū)Figure 7 The crystallization stage and brittleness temperature range

在前面約束條件的基礎(chǔ)上，沿焊接方向?qū)讣黾觽?cè)向約束后，在其它邊界條件、加載模式等仿真條件不變的情況下，再次對同一模型在ANSYS情況下進(jìn)行仿真。在這種情況下，最終的焊件溫度分布(俯視狀態(tài))如圖8和圖9所示。

由圖8、圖9可知，此時(shí)焊縫熱裂紋消失，但是焊縫局部應(yīng)力要比熱裂時(shí)大得多。焊縫硬度分布情況如圖10所示，在距離焊縫一定區(qū)域產(chǎn)生了軟化現(xiàn)象。在必須保證相關(guān)的強(qiáng)度要求的條件下，焊后構(gòu)件需要進(jìn)行整件或局部熱處理，以滿足特殊的使用要求。

圖8 仿真過程中最后一步的溫度載荷分布狀態(tài)Figure 8 The distribution of temperature and load of final one-step during simulation

圖9 側(cè)向應(yīng)力分布Figure 9 The distribution of lateral stress

圖10 選定焊接側(cè)面不同位置材料硬度分布Figure 10 The hardness distribution of material

5 熱裂紋防治措施

焊縫區(qū)熱裂紋的防治措施可從冶金和焊接工藝兩方面著手。工藝方面主要是焊接規(guī)范、預(yù)熱、接頭型式和焊接順序等，用工藝方法防止結(jié)晶裂紋主要是改善焊接時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。對于給定鋼種而言，冶金因素?zé)o法改變，只能從焊接工藝方面進(jìn)行調(diào)節(jié)。

焊接工藝方面可以采用的方法有：根據(jù)各焊道上各節(jié)點(diǎn)的溫度分布情況，采用分段焊接；可適當(dāng)改進(jìn)焊接次序，進(jìn)而緩解焊接殘余應(yīng)力，防止焊接熱裂紋的產(chǎn)生；對不同的焊道采用不同的焊接速度、焊接線能量等工藝參數(shù)，進(jìn)而改善構(gòu)件溫度場分布，減少熱裂紋的產(chǎn)生；最后，還可以改善相應(yīng)約束形式和冷卻條件等，從而減少冷裂紋的產(chǎn)生。

[1] 胡技軍.電站鍋爐T91鋼焊接溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬.合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

[2] 吉巧杰.封閉焊縫焊接溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬.華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[3] P.Michaleris, A.Debiccari. Prediction of welding distortion. Welding Research Supplement, 4(1997)：172-181.

[4] 吉玲.單面雙弧焊接熔池?cái)?shù)值模擬研究[D].北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[5] 孫俊生.電弧熱流與熔滴熱焓量分布模式對熔池行為的影響[D].山東工業(yè)大學(xué)博士論文，1998：60-65.

[6] 謝桂蘭，等.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程(M).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[7] 田萬鈺.關(guān)于剛才焊接裂紋的分類[M]. 1983.

[8] B.N.MeIoBop，鎳鉻奧氏體的焊接(譯文).北京：中國工業(yè)出版社，1965.

[9] 焊接冶金與金屬焊接性 [M].吉林工業(yè)大學(xué)出版社，1980，1版：190-258.

[10] 張華，潘際鑾.基于二維焊接溫度場檢測的三維溫度場計(jì)算機(jī)模擬[J].焊接學(xué)報(bào)，1999，20(4)：226-232.