基于Simufact的外拘束对焊接热循环参数的影响

张 建，黄 明，胡忠建

（毕节市工业学校，贵州 毕节551700）

焊条电弧焊焊接时，被焊金属在热源的作用下发生加热和熔化过程，当热源离开以后，金属开始冷却，在整个焊接过程中必然存在着热的输入、传播和分布问题，由于热源的移动，焊接部位要经历不均匀的加热和冷却的热循环历程，这种历程不仅使焊接母材的组织和性能产生不均匀变化，而且还会使焊接区域产生残余应力、扭曲和变形。焊接热循环过程影响着产品的制造质量和使用性能，焊接结构破坏事故许多是由焊接应力和变形所引起。近年来，作用在焊件上的外部拘束力对焊接残余应力和变形的影响引起越来越多学者的关注[1～6]，认为焊接区域的热循环影响着焊接质量，为了达到减少焊接应力和变形的目的，采用合理的装夹布置可以控制焊接应力和变形，本文运用Simufact-Welding软件对Q345钢进行T形焊接仿真，对比分析了焊件不完全约束和完全约束两种方法下用焊条电弧焊焊接过程中熔合线处的加热速度、加热最高温度、高温持续时间和t8/5时间。

1 高斯分布热源本构方程

对于焊条电弧焊，由于熔深和挺度小，焊接热源是移动的加热斑点，因此，在加热斑点上的热流分布一般近似地用高斯分布函数来描述[6～9]。

高斯分布函数：

式中：q（r）为距离热源中心 r处的热流密度，J/（m2·s）；η 为焊接热效率， 取 η=0.8；U 为电弧电压；I为焊接电流；rH为加热斑点半径，m，取rH=0.015 m。

2 焊接模型的建立

Solidworks、Hypermesh 和 Simufact Welding的系统默认坐标系都是笛卡尔坐标系，因此建立的模型导入时视图方向不发生变化。本文运用Solidworks建立实体焊接模型，该模型由焊件（part）、固定装置（fix）、夹紧装置（clamp）和工作台（low plate）组成；焊件1和2的几何尺寸分别为150 mm×80 mm×5 mm 和 150 mm×60 mm×5 mm，焊件材料为Q345。将该实体模型导入Hypermesh进行体网格划分，然后将划分好的实体网格导入Simufact Welding中进行装配并赋值，焊件1和2的约束分两组：完全约束和不完全约束。本文环境温度20℃，焊接电流170 A，电弧电压18 V，焊接速度9 m/h，焊条直径φ4.0，电弧长度控制在2～4 mm范围内；重力方向的矢量坐标为 X，Y，Z（0，0，-1），焊接方向的矢量坐标为 X，Y，Z（-1，0，0），焊条与水平焊件夹角的矢量坐标为 X，Y，Z（0，1，1），焊条与焊接方向的矢量坐标为 X，Y，Z （-0.364，0，1）。 导入Simufact Welding中的模型如图1（焊件不完全约束）和图2（焊件完全约束），为了便于描述，定义焊件不完全约束为方法1，焊件完全约束为方法2。

图1 方法1的焊接模型

图2 方法2的焊接模型

3 结果与分析

3.1 加热速度ωH

焊接过程中的加热速度一般比常规金属热处理加热速度快得多，因此其相变过程有其自身的特性，加热速度快的部位，其加热相变温度随之提高。不同的焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数、接头形式、几何尺寸和约束条件以及板厚度等都会影响加热速度，本文中板厚为5 mm，不开坡口的单层T形平角焊接。对于Q345材料而言，加热速度快，意味着发生奥氏体转变的温度提高，奥氏体的均质化和碳化物的熔解过程就越不充分，因此必然会影响到其后冷却过程时的组织和性能。将加热温度的仿真数据导入Matlab，得到方法1和方法2熔合线处采样点的加热速度变化曲线，如图3所示，从图3可以看出：在引弧时，方法2的加热速度比方法1的加热速度快，在焊接过程中，方法1的加热速度比方法2的加热速度普遍快且平稳，在收弧时，方法1的加热速度比方法2的加热速度变化显著。

图3 加热速度曲线

图4 方法1的热循环云图

图5 方法2的热循环云图

3.2 加热最高温度Tm

焊接过程中的最高温度对焊后母材热影响区的组织和性能有很大影响，接头熔合线上由于温度高，引起晶粒严重长大，致使其韧性降低。焊接结束时方法1和方法2熔合线及近缝区的热循环云图如图4和图5所示，从图4和图5中可以看出同一位置处的加热最高温度在两种方法下是不同的，方法1的加热最高温度为2084℃，方法2的加热最高温度为1720℃。

3.3 高温持续时间tH

焊接时，焊接高温持续时间的长短对于Q345金属相的溶解、组分的扩散均质化、析出以及晶粒大小都会产生很大影响。高温持续时间越长，越有利于奥氏体均质化过程和奥氏体晶粒的长大。将高温持续时间的仿真数据导入Matlab，得到方法1和方法2熔合线处采样点的高温持续时间图6，从图6中可以看出方法1的高温持续时间比方法2的高温持续时间平稳。

3.4 不预热的t8/5时间

t8/5时间是决定Q345钢热影响区组织和性能的主要参数，也是热循环过程研究的主要参数，t8/5对其组织和性能有决定性作用。方法1和方法2熔合线处采样点的不预热t8/5时间如图7和图8所示。从图中可以看出方法1的不预热t8/5时间比方法2的不预热t8/5时间普遍长。

图7 方法1 t8/5时间图

图8 方法2 t8/5时间图

4 结论与讨论

焊接的热循环参数是人们所关心的热点问题，运用Simufact-Welding软件对焊条电弧焊的仿真报道甚少。本文运用Simufact-Welding软件对T形平角焊接进行仿真，直观地观察了焊条电弧焊焊接的整个过程，同时对比分析了焊件完全约束和不完全约束两种方法下用焊条电弧焊焊接过程中熔合线处的加热速度、加热最高温度、高温持续时间和t8/5时间。在其它参数相同的情况下，不同的焊件装夹方法得到不同结果的热循环参数。

（1）在引弧时，焊件不完全约束方法下的加热速度比焊件方法完全约束方法下的加热速度快，在运条时，前者方法下的加热速度比后者方法下的加热速度普遍快且平稳，在收弧时，前者方法下的加热速度比后者方法下的加热速度变化显著。加热速度越快，奥氏体的均质化和碳化物的熔解过程就越不充分，越不利于接头处的韧性和强度的提高。

（2）焊件不完全约束方法下的加热最高温度比焊件完全约束方法下时的加热最高温度值高。加热最高温度过高，将使晶粒粗大，造成晶粒脆化，易于形成较大的焊接应力或变形。

（3）焊件不完全约束方法下的高温持续时间比焊件完全约束方法下的高温持续时间平稳。对Q345钢来说，高温持续时间越长，越有利于奥氏体的均匀化，但在1100℃以上的持续时间过长，将会使奥氏体晶粒粗大，造成晶粒脆化。

（4）焊件不完全约束方法下的不预热t8/5时间比焊件完全约束方法下的不预热t8/5时间长。适当增加t8/5时间，有利于缓解接头的冷却速度，减小淬硬倾向。

本仿真有助于深入了解焊件不同的装夹方法对焊条电弧焊焊接热循环参数的影响，通过优化装夹工艺，降低制造成本；有助于了解热循环参数产生和存在的规律；有利于提高焊接质量和使用性能，减少因焊接引起的破坏性事故；简化焊条电弧焊焊接的实验过程，为探索焊条电弧焊提供了一种新方法。对于合理地选择装夹方法、焊接材料、焊接顺序和冷却速率等[10]，有必要进行深入研究，本仿真还有待进一步的试验验证。

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