分享：DP780钢焊接接头温度场及粗晶区相含量数值模拟

杨 琴,郭永环,徐冬秦,颜 天

 (江苏师范大学机电工程学院,徐州 221116) 

摘 要:应用均匀试验设计方法设计12组焊接工艺参数(焊接电流分别为60,70,80,90,100, 110A;焊接速度分别为1.96,2.88mm·s -1),建立 DP780双相钢焊接有限元模型,通过模拟和试 验,以接头变形量最小为指标确定了最佳焊接电流和焊接速度;采用焊接有限元模型模拟了最佳参 数焊接时接头的温度场和热影响区粗晶区(CGHAZ)马氏体含量,并通过热模拟试验进行验证。 结果表明:当焊接电流为100A、焊接速度为1.96mm·s -1时,焊接接头的变形量最小,该变形量有 限元模拟结果与试验值的相对误差为3.528%,说明模型较准确;有限元模拟得到距焊缝中心距离 在2.44~6.97mm 的区域为CGHAZ,该区域中的马氏体面积分数为43%,与热模拟试验制备粗晶 区试样中的马氏体面积分数(44%)相近,说明建立的模型可以用于模拟 CGHAZ组织。 

关键词:最小变形量;高强度钢;焊接温度场;粗晶区;马氏体含量 中图分类号:TG402 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)05-0091-05

0 引 言

 当今社会,经济的快速发展导致能源紧缺和环 境污染问题日益严重,这使得汽车轻量化设计成为 研究热点。双相钢尤其是力学性能优异的 DP780双 相钢已成为最具发展潜力的车架结构材料[1]。目前, 有关 DP780 双 相 钢 焊 接 接 头 热 影 响 区 粗 晶 区 91 杨 琴,等:DP780钢焊接接头温度场及粗晶区相含量数值模拟 (CGHAZ)组织和力学性能的研究未考虑焊接变形的 影响[2]。焊接变形危害极大,不仅会导致构件尺寸精 度的变化,过大的变形还会显著降低结构的承载能 力。但是焊接变形在实际焊接过程中很难避免,只能 在最大程度上减小变形量。焊接接头 GCHAZ因受 高温影响而组织粗大、韧性很低,是焊接接头的薄弱 环节,易产生脆化或裂纹[3]。焊接接头热影响区宽度 极小。要想充分了解这一细小区域特别是粗晶区的 组织和性能,采用传统的焊接试验方法是很难实现 的,而焊接热模拟技术可以很好地解决这一问题[4]。 焊接热模拟可以模拟得到放大的焊接热影响区,从而 实现对该区域组织和性能的研究[5-6]。 鉴于此,作者建立了 DP780双相钢板焊接有限 元模型,以变形量最小为指标通过模拟确定了最佳 焊接参数并进行了试验验证,采用该模型模拟了焊 接过程中接头的温度场和不同位置的热循环曲线, 通过峰值温度确定了 CGHAZ范围,模拟了该区域 马氏体含量并采用焊接热模拟试验进行了验证。

 1 试样制备与试验方法 

试验材料为冷轧 DP780双相钢板,由宝山钢铁 股份有限公司提供。将 DP780钢板加工成尺寸为 105mm×75mm×3 mm 的 待 焊 试 样,采 用 TIG200型逆变氩弧焊机进行非熔化极惰性气体保炉 焊(TIG 焊),保 护 气 体 为 纯 度 99.9% 的 氩 气。接 头形式为对接接头,I型坡口,接头间隙为0,焊缝 方向与 长 度 方 向 平 行,双 面 焊 接 (上 下 各 1 道 焊 缝)。采用均匀试验设计方案,试验因素为焊接电 流和焊接速度,焊接电流共6个水平,分别为60, 70,80,90,100,110A;焊接速度共2个水平,分别 为1.96,2.88mm·s -1。设 计 的 12 组 焊 接 工 艺 参 数见表1。使用JDG-S2型数显式立式光学计测量 12组试样的焊后变形量。 表1 均匀试验设计方案 Table1 Uniformexperimentaldesignscheme 序号 焊接电流/ A 焊接速度/ (mm·s -1) 序号 焊接电流/ A 焊接速度/ (mm·s -1) 1 60 1.96 7 90 2.88 2 60 2.88 8 90 1.96 3 70 1.96 9 100 1.96 4 70 2.88 10 100 2.88 5 80 2.88 11 110 1.96 6 80 1.96 12 110 2.88 在 DP780双相钢板上加工出尺寸为55mm× 10mm×3mm 的试样,在 DST1000PC型动态热模 拟机上模拟制备焊接 CGHAZ试样,焊接模拟时的 峰值温度由有限元模拟时提取到的粗晶区节点温度 确定。焊接模拟完成后,用金相砂纸打磨试样并在 抛光机上抛光,用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐 蚀后,使用 BX51M 型光学显微镜观察显微组织,利 用ImageJ软件测定马氏体相的面积分数。

 2 焊接模型的建立

 2.1 有限元模型 

按照试 验 钢 接 头 的 形 状 和 尺 寸,应 用 Visual Mesh软件建立有限元模型并进行网格划分,如图1 所示。在宽度方向(垂直于焊缝方向)使用组合网格 (Type选择 Linear,Factor选择5)划分为40份,即 温度变化不敏感的区域采用较粗的网格进行划分, 在温度变化敏感的焊缝及其邻近区域采用较细的网 格,网格较密集;在长度方向(平行于焊缝方向)和厚 度方向采用均匀划分网格的方式,网格尺寸分别为 2.625,0.375mm。整个接头共划分28160个网格。 图1 焊接有限元模型 Fig.1 Finiteelementmodelforwelding 2.2 模拟条件及热源模型 在 WeldingAdvisor软件中设置热输入、热效 率等焊接工艺参数。热输入公式为 E = UIη 1000v (1) U =10+0.04I (2) 式中:U 为焊接电压,V;I 为焊接电流,A;v 为焊接 速度,mm·s -1;η为热效率系数,取0.75。 将表1中的参数代入式(1)和式(2),即可求得12 组参数下的热输入。设置初始温度为20 ℃,焊件表 面与周围介质的热交换为表面换热,将对流和辐射系 数转化为总的热交换面(软件默认)进行模拟计算[7]。 设置夹持条件,沿焊缝方向两端夹持,夹持位置如图 2中黑色圆点所示。合理的选择热源模型是准确模 拟温度场的关键。焊接试验采用的是 TIG 氩弧焊, 因此选用双椭球热源模型进行模拟[8]。 92 杨 琴,等:DP780钢焊接接头温度场及粗晶区相含量数值模拟 图2 夹持位置示意 Fig.2 Schematicofclampingposition 

3 模拟结果与试验验证 

3.1 焊接变形量模拟及验证 在焊接过程中,热循环会产生热应力,导致焊件 发生变形。从 VisualViewer软件中提取模拟得到 的12组变形量(其中第1,2,4,5组未焊透,属于不 合格品;第3,6~12组焊接合格,接头最大变形量分 别为0.409,0.512,0.408,0.532,0.407,0.413,0.425, 0.461mm)。合格品中第9组参数下的焊接变形量 最小,最大值仅为0.407mm,其变形量分布见图3。 图3 第9组参数下焊接接头的变形量分布 Fig.3 Deformationdistributionofweldedjointwithgroup9 parameters 由焊接试验结果发现,第9组参数下焊接接头 的变形量最小,最大变形量仅为0.422mm,而其他 参数焊接后的最大变形量在0.45~0.76mm。第9 组参数下模拟变形量和试验所得变形量的相对误差 为3.528%,小于5%,说明有限元模型较准确。后 文均采用第9组参数进行模拟和试验。

 3.2 焊接接头温度场 

焊完第1道焊缝的时间约为54s,焊完第2道焊 缝的时间约为108s,两道焊缝为连续焊接。由图4 可以看出:在焊接初始阶段(时间t约0.446s),接头 处的初始温度在2000 ℃左右,此时母材熔化;焊完 第1道焊缝时(t约为54s),除了两个端点外接头温 度均在2200 ℃ 左 右,焊 完 第 2 道 焊 缝 时 (t 约 为 108s),第1道焊缝特征点的温度在1550~1750 ℃ 之间。随着时间的延长,焊接接头温度场趋于稳定。 图4 第9组参数下焊接接头的温度场 Fig.4 Temperaturefieldofweldedjointwithgroup9parameters

 3.3 接头粗晶区及焊缝区热循环曲线

 在焊件上选择3条路径,模拟在焊接过程中这 3条路径上不同特征点的热循环曲线。路径1为第 一道焊缝上表面中心线,路径2为垂直于焊接方向 的焊件上表面中心线,路径3为垂直于焊接方向的 焊件1/2厚度处中心线,如图5所示。 由图6可以看出:在路径1上,第一道焊缝焊完 后I点温度变化较大,这是因为焊接到I点时前方 再无焊点,热源移过I点时的残留热量使得该点温 度急剧升高到3000 ℃以上,之后因该点与空气接 触散热而陡降到1750 ℃,随即又上升到2100 ℃ 左右;焊接第一道焊缝时路径1上的峰值温度均高 于焊接第二道焊缝时的,但焊接第二道焊缝时路径 1各点的峰值温度仍都高于材料熔点,并且各特征 点的升温速率均大于降温速率;在垂直于焊接方向 上,随着距焊缝中心线距离的增大,温度降低,如路 径2和路径3的热循环曲线所示。 93 杨 琴,等:DP780钢焊接接头温度场及粗晶区相含量数值模拟 图5 热循环曲线模拟路径示意 Fig 5 Pathdiagramofheatcyclecurvesimulation a path1 b path2and c path3 从图6(c)中提取焊接第1道焊缝时各特征点 的峰值温度,拟合得到路径3上的峰值温度分布曲 线,如图7所示,拟合函数表达式为 y= -0.0193x 3 +2.7799x 2 - 123.91x+1815.5 (3) 式中:x 为特征点距焊缝中心的距离,mm;y 为特征 点的峰值温度,℃。 焊接接头粗晶热影响区的温度范围为1080~ 1530℃。将1080℃和1530 ℃代入式(3),得到x 分别为6.97,2.44mm,则粗晶区宽度为4.53mm。

 3.4 接头显微组织 

选择距焊缝 中 心 2.44~6.97 mm 范 围 (粗 晶 区)内的某一节点,使用 VisualEnvironment软件 模拟焊接时该点的热循环曲线和马氏体含量的变 化。由图8可知:在焊接时间100s以前,该节点温 度较高,峰值温度达到1250 ℃,未发生马氏体转 变,而在100s后,温度降低至400 ℃,马氏体含量 图6 采用第9组参数模拟得到不同路径特征点的热循环曲线 Fig 6 Simulatedthermalcyclecurvesatpointsalongdifferent pathswithgroup9parameters a path1 b path2and c path3 图7 路径3上峰值温度分布曲线 Fig.7 Peaktemperaturedistributioncurveonpath3 不断增加,焊接结束时马氏体面积分数达到43%。 热模拟焊接制备 CGHAZ 试样时的峰值温度 取 1250 ℃。 由 图 9 可 以 看 出,DP780 双 相 钢 CGHAZ的组织主要由马氏体和铁素体组成,马氏 体面积分 数 为 44%,与 有 限 元 模 拟 结 果 (43%)相 近,说明有限元模拟结果较准确。

 4 结 论 

(1)建立 DP780双相钢焊接有限元模型,模拟 94 杨 琴,等:DP780钢焊接接头温度场及粗晶区相含量数值模拟 图8 CGHAZ某节点的热循环曲线和马氏体含量随时间的变化曲线 Fig 8 Thermalcyclecurve a andmartensitecontentvstime curve b ofapointinCGHAZ 图9 热模拟制备 DP780钢 CGHAZ试样的显微组织 Fig.9 MicrostructureofCGHAZsampleofDP780steelpreparedby thermalsimulation 得到焊接电流100A、焊接速度1.96mm·s -1条件 下的焊接接头变形量最小,最大仅为0.407mm,与 试验测试结果的相对误差为3.528%,说明有限元 模型较准确,该焊接参数最佳。 (2)最佳焊接工艺参数下焊缝区各点的升温速 率大于降温速率;由有限元模拟得到不同位置的热 循环曲线,确定距焊缝中心为2.44~6.97mm 范围 内为热影响区粗晶区,其宽度为4.53mm。 (3)有限元模拟得到热影响区粗晶区中马氏 体面积分数为43%,与由热模拟试验制备热影响 区粗晶区 试 样 中 的 马 氏 体 面 积 分 数(44%)相 近。 说明建立的有限元模型可以用于模拟热影响区粗 晶区组织。 

来源：材料与测试网