EH36钢气电立焊热影响区温度场模拟

吴志洋，于 浩，李维娟，王树国，边首缘，刘 畅

（1.辽宁科技大学 材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051；2.五矿营口中板有限责任公司，辽宁 营口 115005）

全球海上贸易的蓬勃发展对船舶制造提出更高挑战［1-2］。小能量输入的多层多道次焊接是传统的焊接方法，焊接效率低下。焊接效率直接影响船舶的制造周期和成本，据统计，船体焊接工时约占总工时40%，焊接成本约占总成本30%~50%［3］。目前，在船舶制造领域，通常采用大线能量气电立焊方法以提高焊接效率。对于低合金高强度船板钢，在大热输入条件下，热影响区的峰值温度较高，冷却速率较低，导致该区域的显微组织粗化，冲击韧性急剧降低，成为焊接接头中最易发生断裂的薄弱区域［4-6］。

由于焊接热源的集中性和瞬时性，热影响区内的温度分布非常不均匀，其显微组织分为粗晶区、细晶区、不完全正火区等［7］。针对热影响区，在确定加热峰值温度后［8］，采用t8/5公式计算800~500 ℃相变过程的冷却速度［9］，并依据此热循环进行热模拟实验，模拟热影响区的组织演变过程。但在具体的焊接条件下，所制定的峰值温度不够准确；t8/5公式对于热影响区高温阶段的描述存在空白，对于800~500 ℃之间冷却速度的确定并不精确。本文针对EH36钢板气电立焊焊接接头，采用ANSYS有限元软件模拟热影响区的温度场，精确获得热影响区的热循环曲线，为大线能量焊接热影响区的组织性能研究提供新的方法。

1 气电立焊材料及模拟参数

气电立焊方式由电弧热将焊丝融化形成金属液滴，由水冷滑块强迫金属液滴冷却成型。EH36实验钢成分：w（C）=0.1%，w（Si）=0.189%，w（Mn）=1.539%，w（P）=0.009%，w（S）=0.003%，w（Al）=0.005%，w（Cr）=0.062 4%，w（Nb）=0.004%，w（V）=0.002%。实验钢板厚36 mm，宽440 mm，长1 000 mm。焊丝采用神户制钢生产的36 kg 级Φ 1.6 mm DW-S50GTF 气电立焊焊丝。焊接模型采用V 形坡口，坡口角度为22°，底部对接距离为5 mm，如图1所示。气电立焊热输入为180 kJ/cm。

图1 EH36船板钢焊接坡口形式，mmFig.1 Welding groove form of EH36 steel plate，mm

1.1 焊接有限元模型简化

焊接过程是一种涉及传热、冶金、相变等多门学科的复杂过程，在焊接有限元模拟中也不可能考虑所有的实际情况，本文根据研究问题的着重点，对计算模型进行如下的简化处理。

（1）气电立焊在某钢厂焊接完成，根据实际焊接情况，将焊接接头模型周围环境温度假设恒定为25 ℃。

（2）通常情况下，焊丝与焊件会采用相似相溶的材料，因此，本文假设焊丝与焊件的材料属性相同，即在不同温度下材料的热物性参数变化保持一致。

（3）不考虑焊件与气电立焊夹具以及相关设备之间的热传导，焊件表面与空气的散热以对流和辐射为主。为方便模拟计算，将辐射及对流统一考虑为对流换热系数。

（4）实际焊接过程中，焊接缺陷必然存在，有限元模拟忽略缺陷以及裂纹的存在。

1.2 热物性参数的计算

对船板钢热影响区温度场的模拟计算过程中，涉及的材料热物性参数主要有密度、热导率、比热容等。本文采用JMatPro软件计算EH36随温度变化的各项热物性参数，不同温度下的比热容、密度、热导率参数如图2所示。

图2 热物性参数Fig.2 Thermophysical parameters

1.3 有限元模型的建立及网格划分

先建立焊接接头截面的节点，再将各节点连接，将各节点连成的线通过布尔运算，将各个线组合成面，最终将截面通过拉伸，转化为体。本文采用plane55二维平面单元和solid70三维实体单元。

模型尺寸为1 000 mm×440 mm×36 mm。根据研究对象的差异，采用2 种网格划分形式，焊缝采用最小精度为2 mm的映射网格，焊接热影响区采用最小精度为1 mm的映射网格，母材金属采用最小精度为16 mm的自由网格。网格划分结果如图3所示。

图3 网格划分Fig.3 Mesh generation

1.4 热源以及边界条件的设定

焊接过程中的热源具有集中性和瞬时性特点，在时间和空间中形成非线性温度场。本文选取的热源模型为体积分布热源中的体生热率热源，将热源作用于焊缝的能量等效转化为焊缝单元内部生成的能量。热源计算式

式中：η为焊接效率；U为焊接电压，V；I为焊接电流，A；A为焊缝横截面积，mm2；V为焊接速度，cm/s；dt为载荷步时间，s。

假设焊接接头与气电立焊设备不发生热交换，周围环境温度恒定为25 ℃。将辐射因素考虑在对流中，对1 000 ℃以上焊接接头与环境的对流换热系数［10］进行修正。温度为200、400、600、800、1 000、1 500、2 000 ℃焊接接头对流换热系数分别为12.12、24.23、40.38、72.69、125、150.38、250.65。

2 气电立焊温度场有限元模拟

2.1 不同时刻焊接温度场

气电立焊温度场有限元模拟载荷共分为250步，其中前100 步为实验钢焊接过程，后150 步为焊接接头冷却过程。每步时长为10 s，步长为一个网格的长度，冷却过程的步长与焊接过程保持一致。

实验钢气电立焊不同时刻温度场如图4 所示。整个焊接过程焊缝峰值温度如图5 所示。焊接10~220 s，焊缝峰值温度由2 357 ℃迅速升高到2 550 ℃。这段时间焊接处于起始位置，焊接电弧不稳定阶段，热量由热源传递给焊缝，再由焊缝扩散到母材，此时热源传递到焊缝的能量大于焊缝向母材扩散的能量，因此焊缝的峰值温度呈上升趋势；焊接220~920 s，焊缝峰值温度稳定在焊缝峰值温度在2 550~2 565 ℃区间保持稳定，热源传递到焊缝的能量与焊缝向母材扩散的能量呈现动态平衡，因此焊缝的峰值温度保持稳定，焊接状况良好；焊接920~1 000 s，焊缝峰值温度由2 565 ℃迅速升高到2 863 ℃，热源传递到焊缝的能量大于焊缝向母材扩散的能量，因此焊缝的峰值温度继续升高，属于焊接电弧不稳定阶段。本文研究热影响区温度场变化时，选取焊接电弧稳定阶段温度场进行分析。

图4 实验钢不同时刻温度场Fig.4 Temperature evolution with time of experimental steel

图5 焊接过程焊缝峰值温度变化Fig.5 Peak temperature evolution of weld joint during welding

2.2 距熔合线不同位置处的热循环曲线

选取焊接500 s 时温度场，在模型表面处选取3个节点，距离熔合线+2 mm、+5 mm、+7 mm，绘制3 个节点热循环曲线，如图6 所示。焊接接头表面各节点热循环曲线峰值温度不同，其中距离熔合线+2 mm 处峰值温度在 1 350 ℃，+5 mm 处峰值温度为1 232 ℃，+7 mm 处峰值温度最低，为1 129 ℃，三者t8/5时间分别为458、461、463 s，这三处节点的冷却速度基本相同。

图6 距熔合线不同位置处的热循环曲线Fig.6 Thermal cycle curve at different positions along fusion line

2.3 沿厚度方向不同位置处热循环曲线

选取焊接500 s 时温度场，选取模型表面与芯部距熔合线+2 mm的节点，节点热循环曲线如图7所示。实验钢表面与芯部距熔合线+2 mm处节点的峰值温度、冷却速度、t8/5时间无明显差异，表面与芯部在焊接过程中的温度场变化相同。

图7 沿厚度方向不同位置热循环曲线Fig.7 Thermal cycle curve at different positions along thickness direction

3 焊接实验验证

根据有限元模拟的实验钢焊接接头表面距熔合线+2 mm 处节点热循环曲线，采用THERCMEMASTOR-Z/100 型热模拟试验机进行焊接实验，对焊接接头进行光学显微组织观察，以及-40 ℃低温冲击实验，对焊接温度场有限元模拟的准确性进行验证。

表1 统计了距熔合线+2 mm 位置处热模拟试样和焊接接头在-40 ℃时的冲击功。实验值为199 J，模拟值比实验值低20 J，误差为10%。

表1 不同工艺下的实验钢冲击韧性Tab.1 Impact toughness of experimental steel

图8 为距熔合线+2 mm 位置处热模拟试样和焊接接头的显微组织。焊接接头距熔合线+2 mm处组织类型主要为贝氏体、多边形铁素体以及少量的珠光体。热模拟试样的显微组织类型与实际焊接接头基本相同，但各组织的体积分数略有变化；热模拟试样中贝氏体含量有所增加，珠光体含量减少，这也是热模拟试样低温冲击功略低于实际焊接试样的原因。综上所述，依据有限元模拟计算36 mm 厚EH36 钢热循环曲线的方法比较准确。

图8 距熔合线+2 mm处金相组织Fig.8 Metallographic microstructures at+2 mm position from fusion line

4 结 论

本文采用有限元软件建立36 mm 厚EH36 钢气电立焊模型，通过JMatPro 软件计算EH36 钢随温度变化的各项热物性参数，经过有限元模拟和实验验证，得到如下结论：

（1）钢板表面距熔合线+2 mm、+5 mm 以及+7 mm 节点处，峰值温度分别为 1 350 ℃、1 232 ℃以及1 129 ℃，峰值温度依次降低，t8/5时间分别为458 s、461 s、463 s，t8/5时间以及冷却速度无明显差异；钢板表面及芯部热循环曲线的峰值温度、保温时间以及冷却速度保持一致。

（2）热模拟试样与实际焊接接头在距熔合线+2 mm处金相组织类型相同，-40 ℃低温冲击功降20 J，相对误差为10%。采用有限元软件获取36 mm 厚EH36 钢气电立焊粗晶区热循环曲线的方法具备现实性与合理性，为研究大线能量焊接热影响区组织与性能提供新思路。