Q690高强钢中厚板ForceArc焊接过程的数值模拟
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DOI：10.16661/ki.1672-3791.2016.24.051
摘 要：该文针对forcearc焊接过程的新特点，建立适用的体积热源模型，利用SYSWELD商用软件，通过数值模拟的方法，对焊接温度场进行有限元分析，研究了不同预热温度、层间温度对焊接热物理过程和焊缝成形的影响，优化焊接参数，并结合少量试验结果进行验证。
关键词：ForceArc 温度场 SYSWELD 有限元分析 数值模拟
中图分类号：TG457.11 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）08（c）-0051-02
ForceArc焊以其飞溅少、熔滴细小、电弧挺直度高、能量集中稳定、再次起弧性能优异等优点，获得众多用户的青睐[1-2]。实验表明，ForceArc对焊接20 mm厚q690低合金高强钢十分高效，但此焊接方法本身所包含的焊接参数过多；同时，焊接过程中母材与焊缝金属均经历多次焊接热循环过程，整体温度场变化复杂，对焊接质量、结构完整性等产生重要的影响[3]，仅靠焊接试验获得最佳焊接工艺参数费时费力。利用SYSWELD分析软件进行分析，并结合少量试验验证，是优化焊接工艺参数的有效途径。
该文拟根据ForceArc新工艺焊接过程的实际特点，建立相关热源模型，并结合少量实验验证，研究不同预热温度、层间温度对焊接过程及焊缝成形的影响，提高焊接热循环的计算精度，为HAZ组织、硬度以及应力的预测提供参考。
1 SYSWELD分析模型建立
1.1 工件热物性参数
表1是所用Q690低合金高强钢化学成分表，由于目前尚缺乏其不同温度下的热物性参数，该文模拟时采用与其化学成分类似的S355J2G3热物性参数代替。
1.2 热源模型建立与调试
坡口形状、角度及其尺寸通过影响电弧形状及熔滴热焓在工件内的分布，进而影响根部熔透及最终焊接变形，因此焊接热源模型须适应ForceArc焊接过程和坡口形式的特点。实验工件为300 mm×300 mm×20 mmQ690低合金高强钢，开30°双V型坡口，根据实际焊缝形状（如图1（a）、图1（c）所示），热源采用双椭球热源与高斯圆台热源相结合的复合热源，如公式（1）所示：
（1）
其中，。 （2）
实验焊接参数为：焊接电流363.4 A，电弧电压33.1 V，焊速40 cm/min，上下V型坡口均分别采用单道焊填充。经过反复热源校核，最终获得复合焊接实际的热源参数为：=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。图1是焊缝横断面实验结果与计算结果的对比，可以看出，所采用的复合热源模型能过较好地反映ForceArc焊接过程及坡口形式的特点。
2 数值模拟计算结果与分析
2.1 预热温度对焊缝温度场及焊缝成形的影响
焊接冷却时间t8/5对焊缝组织和性能起着决定性的影响。因此，研究焊接参数对t8/5的影响，对提高焊接质量具有重要意义。表2为距离焊缝中心线8.15 mm处（ID：19812）不同预热温度下的t8/5计算值。数据显示，随着预热温度的上升，t8/5逐渐增大，且预热温度越高，t8/5增加幅度越大。计算表明，当焊前预热温度由室温提高至100 ℃，焊缝区附近马氏体组织所占比例由72%降低至62%左右；焊缝区附近贝氏体组织所占比例则由27%提高至36%；同时焊缝区附近铁素体组织所占比例由0.45%提高至0.50%。可见，提高预热温度可有效降低焊缝附近的马氏体含量，避免Q690低合金高强钢焊接冷裂纹；但预热温度过高，会带来HAZ软化等问题。
2.2 层间温度对焊缝温度场及焊缝成形的影响
层间温度主要影响工件第二道，即背面下V型坡口的焊接过程。该文研究对象为距离焊缝中心线8.15 mm处（ID：19784）不同预热温度下的t8/5计算值。表2、表3的计算结果表明，提高预热或层间温度均能够提高t8/5，降低焊缝的冷却速度；对于同样的初始温度，工件上V型坡口焊缝t8/5的计算值大于工件下V型坡口焊缝t8/5的计算值。这主要是焊接背面第二道焊缝（工件下V型坡口）时，已存在的第一道焊缝（上V型坡口）一方面能够吸收更多的电弧热量，降低点（ID：19784）的峰值温度；另一方面能够加快高温金属的冷却过程。因此，上下两道焊缝，欲获得相同的冷却速度，实现相同的焊缝组织及比例，层间温度应高于预热温度。
表4是不同层间温度对焊缝熔宽、熔深的影响，层间温度对焊缝成形影响效果有限。但由于焊接第一道焊缝后，不均匀的加热-冷却及相变过程促使焊缝横向收缩不均匀，进而工件产生角变形，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缝根部及焊缝宽带方向上传递，从而导致工件在相同的焊前温度条件下，第二道焊缝的熔深、熔宽计算结果略大于第一道焊缝的结果。
3 结论
（1）该文所建立双椭球-高斯圆柱复合热源模型能够较好地反映ForceArc新焊接技术特点，计算结果与实验结果吻合良好。
（2）提高预热温度或层间温度，能够有效提高t8/5焊接冷却时间，从而对焊缝组织及比例产生影响，但对焊缝熔深及熔宽影响有限。
（3）为了保持双V型坡口上下焊缝冷却速度相同，第二道焊缝焊接时的层间温度应高于第一道焊缝焊接时的预热温度。
参考文献
[1] 陈龙.基于超微弧特性的SMA490BW钢焊接工艺试验研究[J].电焊机，2013，43（9）：55-59.
[2] Kocab H D，张洪.采用新型焊接电弧提高焊接生产的经济效益和焊缝质量[J].焊接，2010（5）：33-39.
[3] 李慧娟，黄振华，李正任.多层多道焊焊接工艺数值模拟技术[J].焊接学报，2010，39（11）：25-28.