双相不锈钢堆焊温度场数值模拟

刘震昊 刘爱国

摘要： 采用有限元方法对2209双相不锈钢堆焊温度场进行了模拟，分析了道间冷却时间、焊接电流、电压及焊接速度对温度场的影响。结果表明，多层多道堆焊时，在道间留足够的冷却时间，可以降低各焊道的峰值温度和高温停留时间，降低后续焊道焊接时导致的温度升高，有利于保持堆焊层的相平衡；后续焊道堆焊时，会导致前面相邻焊道靠近后续焊道侧出现较高温度升高，对前面相邻焊道中心及更远处没有显著影响；多层堆焊时，后一层焊道焊接时，会导致前面一层对应焊道产生较高温升；焊接热输入增加，导致堆焊焊道峰值温度升高、高温区范围扩大，而且对前一道焊道造成的温升增大。

关键词： 双相不锈钢；堆焊；温度场；数值模拟

中图分类号： TG 402

Numerical simulation of temperature field of duplex stainless steel surfacing

Liu Zhenhao， Liu Aiguo

（Shenyang Ligong University， Shenyang 110159， China）

Abstract： The temperature field of 2209 duplex stainless steel surfacing was simulated by finite element method， and the effects of interpass cooling time， welding current， voltage and welding speed on the temperature field were analyzed. The results show that when multi-layer and multi-pass surfacing is applied， enough cooling time between passes can reduce the peak temperature and high temperature residence time of each weld bead， reduce the temperature rise caused by subsequent weld bead welding， and help to maintain the phase balance of the surfacing layer; When the subsequent weld bead is overlayed， it will lead to a higher temperature rise near the side of the previous adjacent weld bead， which has no significant impact on the center of the previous adjacent weld bead and beyond; During multi-layer surfacing， when the next layer of weld bead is welded， it will cause higher temperature rise of the corresponding weld bead of the previous layer; The increase of welding heat input leads to the increase of the peak temperature of the weld bead， the expansion of the high temperature zone， and the increase of the temperature rise of the previous weld bead.

Key words：  duplex stainless steel; surfacing; temperature field; numerical simulation

0 前言双相不锈钢组织中铁素体与奥氏体约各占一半，两相中任意一相的比例不低于30％ ［1］。双相不锈钢有非常好的耐点蚀能力和耐应力腐蚀能力，通常有较高的强度和良好的焊接性［2-4］，广泛应用于石油化工、沿海建筑、发电站等各种工业环境中［5］;双相不锈钢的耐蚀性与组织关系密切［6-7］，只有两相保持适当比例才能保证其良好的耐蚀性;受焊接热循环的影响，双相不锈钢焊缝和热影响区可能会产生相比例失衡，从而使焊接接头耐蚀性降低［8］。通常在单道焊情况下，焊接接头快速冷却会导致接头中铁素体含量过高，造成相比例失衡；而在堆焊时，通常要进行多层多道焊，反复加热会导致大量二次奥氏体析出，使奥氏体含量过高，造成接头相比例失衡，從而影响焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能［9-11］。因而对双相不锈钢堆焊过程中温度场进行分析，掌握其变化规律，对保持接头中的相平衡、提高接头耐蚀性具有重要意义。

数值模拟方法是分析焊接温度场的强有力工具，可以降低成本，减少试验的盲目性，为优化焊接参数提供更多理论依据［12-14］。采用Visual Weld软件分析了双相不锈钢堆焊时不同工艺参数的焊接温度场，以期为后续实际焊接试验中工艺参数的制定提供理论依据。

1 双相不锈钢堆焊温度场模型

1.1 热源模型

双相不锈钢堆焊采用双椭球热源模型，如图1所示。

前后两部分半椭球采用不同的表达式，前半部分椭球内热源分布的表达式为

Q（x，y，z）=63f2Qπa1bcπexp（－3x2a21）exp（－3y2b2）exp（－3z2c2）（1）

后半部分椭球内热源的表达式为

Q（x，y，z）=63f2Qπa2bcπexp（－3x2a22）exp（－3y2b2）exp（－3z2c2）（2）

式中：Q=ηUI，η为热源效率，U为焊接电压（V），I为焊接电流（A）；a1，a2，b和c为椭球形状参数；f1和f2为前后椭球热量分布函数， f1+f2=2。

1.2 几何模型

图2为双相不锈钢堆焊件三维几何模型，尺寸与实际焊件相同，基板尺寸为200 mm×100 mm×5 mm，共堆焊2层，第一层为ER304过渡层，第二层为ER2209堆焊层，每层3道，每道焊道长100 mm、宽14 mm、高3 mm，呈弧形，搭接量为0 mm。

由于焊道形状不规则，划分网格时采用了四面体单元和六面体单元相结合的网格类型，在焊道附近区域，网格划分较密。模拟采用的有限元软件为Visual Weld，常用材料可以直接从软件自带材料库调取，选择母材牌号为S355J2G3，对应国内牌号Q345。第一堆焊层材料为ER304，可以直接在材料库中调用，第二堆焊层材料为ER2209，需要通过Jmatpro软件计算来获取相关的参数，将ER2209的材料成分输入到Jmatpro的不锈钢相关模块，计算材料的热导率、比热容、泊松比等性能参数，计算结果导入到有限元软件的材料库中使用。

1.3 初始条件及堆焊参数

除热源所在位置外，均为辐射散热条件，环境温度为20 ℃，母材的初始温度为20 ℃，焊接方法为冷金属过渡（CMT），共进行6组堆焊参数的数值模拟，具体参数见表1。在每条焊道表面中间位置设置温度追踪点，分别定义为追踪点1～6，追踪点7设置在ER2209堆焊层第一条和第二条焊道交界线上，长度方向取中间位置。

2 结果与讨论

2.1 道间冷却时间对焊接温度场的影响

试件1和试件2堆焊结束时的温度场云图如图3所示，可以看出，过渡层道间不冷却、堆焊层道间冷却时间也较短的试件1堆焊结束时高温范围更大，焊件上最高温度达到了2 217 ℃（图3a）；而道间冷却时间较长的试件2堆焊结束后，高温范围较小，焊件上最高温度有所降低，为2 005 ℃（图3b）。图4所示为追踪点1～6峰值温度的对比情况，可以看出，试件1由于过渡层焊道间没有冷却，热量在试件上不断累积，导致各个焊道上的追踪点峰值温度不断升高，堆焊层焊道间有冷却，但时间也较短，使追踪点峰值温度一直保持

在较高水平;而试件2各焊道均进行了比较充分的冷却，各焊道追踪点峰值温度相对较低，特别是ER2209堆焊层追踪点峰值温度，比试件1对应追踪点低200 ℃以上。文献［9］指出，随着层间温度的增高，二次奥氏体析出量不断增多，使得焊缝中奥氏体含量增加，各焊道的峰值温度低，在相同散热条件下，高溫停留时间必然缩短，析出的奥氏体量将减少，有利于保持堆焊层的相平衡，在后续模拟中，将全部采用道间冷却100 s的工艺。

2.2 多层多道焊对温度场的影响

图5为追踪点1和追踪点4的热循环曲线，追踪点1在过渡层第一道焊道上，热循环曲线有6个峰，其中第一个是本身焊道经过时产生的，温度最高，达1 400 ℃左右；第四个是位于正上方的ER2209堆焊道经过时产生的，温度也较高，接近1 200 ℃；第二、三、五、六峰为相邻焊道经过时产生的，温度升高较小，最高温度为200～300 ℃。追踪点4在ER2209堆焊层第一道焊道上，热循环曲线有3个峰，其中第一个是本身焊道经过时产生的，温度最高，达1 400 ℃左右；第二、三峰为相邻焊道经过时产生的，温升较小，最高温度为200～300 ℃。200～300 ℃的温度升高对ER2209堆焊层的组织没有影响，也就是说，ER2209堆焊层后续焊道堆焊时，并不会影响第一道焊缝中部位置的相平衡。而追踪点1热循环曲线上的第四个峰温度接近1 200 ℃，如果第一层也是双相不锈钢材质，则会在焊接第二层对应位置焊道时有二次奥氏体生成。

图6为试件1和试件2上追踪点7的热循环曲线。

追踪点7和追踪点4同样位于ER2209堆焊层第一条焊道上，热循环曲线同样有3个峰，不同的是，追踪点7的第二个峰比追踪点4高很多，温度达到500～600 ℃，产生这一差别的原因是，追踪点7处于ER2209堆焊层第一条和第二条焊道交界线上，在第二道堆焊时受到的影响更大，可能生成更多的二次奥氏体。从图6中还可以看出，试件1的热循环曲线上，不仅第一个峰比试件2高，第二个峰也比试件2高，这说明道间冷却时间短，不仅在本身焊道焊接时峰值温度更高，会产生更多的奥氏体，下一道焊道焊接时导致的温升也更高，二次奥氏体生成也更多。

2.3 焊接工艺参数对焊接温度场的影响

图7是不同焊接电流、焊接电压堆焊试件追踪点4的热循环曲线，图8是试件堆焊结束时的温度场云图。可以看出，随着焊接电流、焊接电压的增加，单位长度焊缝的焊接热输入增加，堆焊焊道峰值温度升高，高温区范围扩大，而且对前一道焊道造成的温度升高增大，势必造成一次奥氏体和二次奥氏体的量都增加。

图9是不同焊接速度堆焊试件追踪点4的热循环曲线，图10是试件堆焊结束时的温度场云图，可以看出，随着焊接速度的增加，焊道附近换热量减少，周围母材吸收热量减少，高温停留时间变短，堆焊焊道峰值温度降低，高温区范围减小，而且对前一道焊道造成的温度升高减小，将使一次奥氏体和二次奥氏体的量都减少。

3 结论

（1）多层多道堆焊时，在道间留足够的冷却时间，可以降低各焊道的峰值温度和高温停留时间，降低后续焊道焊接时导致的温度升高，减少一次奥氏体和二次奥氏体析出，有利于保持堆焊层的相平衡。

（2）后续焊道堆焊时，会导致前面相邻焊道靠近后续焊道侧出现较高温升，容易导致二次奥氏体析出，对前面相邻焊道中心及更远处没有显著影响。

（3）多层堆焊时，后面一层焊道焊接时，会导致前面一层对应焊道产生较高温升，容易导致二次奥氏体析出。

（4）焊接热输入增加，导致堆焊焊道峰值温度升高、高温区范围扩大，而且对前一道焊道造成的温升增大，使一次奥氏体和二次奥氏体析出量增加。

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收稿日期： 2022-10-31

刘震昊简介： 硕士研究生；主要从事双相不锈钢堆焊的研究；1553157189@qq.com。