Q345D在电厂对接修复过程中的仿真分析

Q345D在电厂对接修复过程中的仿真分析

杨建平

东方汽轮机有限公司四川德阳672282

摘要：对Q345D平板对接焊接接头进行SYSWELD数值模拟分析，得出了不同焊接速度下试件的瞬态温度场分布云图。由温度场云图可以看出整个焊接过程中，随着焊接时间的延长，试件上的最高温度越来越高,最后达到稳定状态。

关键词：Q345D；SYSWELD；温度场

0.前言

焊接过程中的相变过程直接影响焊缝的组织和成分分布，而焊接接头组织的变化将会导致接头强度和韧性的变化，从而使焊接接头成为整个焊接结构中最薄弱的部位。这将直接影响到焊接构件的承载能力和使用寿命[1]。而焊接过程中温度的剧烈变化是影响焊接接头组织和机械性能的主要原因，因此，对温度场进行模拟研究对获得高质量的焊件有着重要意义。通过模拟焊接接头的组织，可以预测在不同焊接方法和工艺参数下接头的组织形态和力学性能，从而实现寻求最佳焊接工艺来改善焊件性能的目的[2]。

1.Q345D焊接接头的模拟分析过程

几何模型的建立是进行数值模拟的第一步，它的形状与焊件的形状、尺寸大小、载荷施加方式以及热源在焊件内部的热传导方式有关。本文使用VisualEnvironment6.5中的VisualWeld6.5建立模型，在进入界面后，选择Application菜单下的Mesh，这样就可以开始建立网格了。先画出一个面的八个节点，然后由点再构成面，生成二维网格，再利用拉伸功能生成三维模型[3]。

1.1热源校核

在热源校核时，针对具体的焊接工艺，将初试算所得温度场结果与实际结果进行比较，对比判断出调整哪个形状参数值，考虑该参数值是应该减少还是增大，还是应该同比缩小或增大所有形状参数值，需要多做几组校核数据，从中选出最为合适的形状参数值。热源校核具体步骤如下：

1.1.1建立热源校核试件模型

为了保证校核的精确度，最好是输入的参数与在VE中建立的模型尺寸相一致。而热源的位置应尽可能在靠近工件末端15-20mm左右，用来保证模拟结果更接近实际情况。

1.1.2加载材料库

SYSWELD有自带的材料库，可以在里面选取，如果没有的话，则需要根据材料的化学成分和物理参数进行创建。本文采用的材料为Q345D，与材料库中的S355J2G3的化学成分和力学性能相近，可以直接调用，以减少创建材料库的麻烦。

1.1.3定义工艺过程参数

工艺焊接参数的确定主要包括Qf、Qr、af、ar、b、c、ay、x0、y0、z0和热输入,其中Qf、Qr分别代表总的输入功率在熔池前、后两部分的分配系数。查资料参考完成所有相关工艺参数的定义。本文由于需要模拟不同的焊接速度下的焊接接头，因此需要进行三次热源校核。

1.2求解

1.2.1基础数值求解

设定材料的熔点为1505℃，热影响温度为900℃，焊接速度为分别为4mm/s、6mm/s、8mm/s，由于Q345D常温下不需要预热，因此初始温度设定为室温20℃，初始相相关参数设为默认值。

1.2.2保存热源到函数库

校正热源参数后，把热源参数选中后把热源保存到函数库，保存的热源函数在前处理过程中被调用用于焊接过程。

2低合金钢Q345D焊接接头模拟结果

2.1低合金钢Q345D的焊接性分析

合金元素总量小于5%的合金钢叫做低合金钢。这种钢的强度比较高，综合性能比较好，并具有耐腐蚀、耐磨、耐低温以及较好的切削性能、焊接性能等。常用于船舶，锅炉，压力容器，石油储罐，桥梁，电站设备，起重运输机械及其他较高载荷的焊接结构件。低合金钢一般分为三类：高强度钢、低温钢、耐蚀钢。Q345D钢属于低合金高强钢，是我国应用最广的钢材种类。碳当量为0.345%～0.491%，屈服点等于343MPa（强度级别属于343MPa级）。Q345D钢的合金含量较少，焊接性良好，焊前一般不必预热。其焊接性主要是热影响区组织与性能的变化对焊接热输入比较敏感，热影响区淬硬倾向增大，对氢致裂纹敏感性较大。

2.2材料物理性能参数和焊接工艺规范

金属材料的物理性能参数如比热容、导热系数、弹性模量、屈服应力等一般都随温度的变化而变化，是温度的函数。由于对温度场的模拟计算属于高度非线性瞬态热分析，因此必须给定各种随温度变化的热物理性能参数。本文采用二氧化碳气体保护焊进行焊接，选用的焊接工艺规范参数如下：焊接层数=1；两板间隙=2mm；焊接方法=CO2气体保护焊；填充材料=ER50—6；焊丝直径=1.2mm；焊接电流=150A；电弧电压=22V；焊接速度=6、8mm/s；保护气体=100%CO2气体流量=10-15L/min；焊接热效率η=0.8

2.3焊接温度场和焊缝组织模拟结果分析

2.3.1焊接温度场分布特征

焊接速度为6mm/s时的温度场云图变化如图2.1所示。

图3.1焊接速度=6mm/s温度场分布云图

从图3.1可以观察到焊接过程中焊缝温度场由引弧到宏观准稳态的变化情况。，随着移动热源的作用，焊缝上各节点的温度也随之变化。随着焊接时间的延长，焊件上的峰值温度越来越高,最后达到稳定状态，焊接过程结束后随着时间的增加温度逐渐减低。

2.3.2不同焊接速度下焊缝中心点的组织变化特点

现选取焊缝中心线上一节点(如35067节点)结合该节点在不同焊接速度下的加热冷却速率来研究。焊接速度为6mm/s、8mm/s下铁素体、马氏体、贝氏体、奥氏体的变化情况如3.2所示。

图3.2不同焊接速度下组织含量的变化

可以看出，不同焊接速度下铁素体最终都转变为了奥氏体。在室温下的组织中含量为0。随着焊接速度的加快，马氏体的含量逐渐增加，由焊接速度为6mm/s时的15.2%增加到焊接速度为8mm/s的19.1%；贝氏体的含量逐渐减少，由焊接速度为6mm/s时的85%降低到焊接速度为8mm/s时的80%。不同焊接速度下，奥氏体的含量逐渐增加，由焊接速度为6mm/s时的0.8%增加到焊接速度为8mm/s时的0.9%。出现这样的情况的原因是：随着焊接速度的增加，在相同的热输入下，焊接线能量减少，从而使高温停留时间变短，进而使晶粒不能充分长大，无法进行完全的组织转变。又因为焊接速度加快使冷却速度加快，能产生更高的过冷度。使得碳含量更低的组织转变为马氏体组织，因而导致了焊缝中马氏体和残余奥氏体含量的增加。

3结论

对Q345D平板对接接头的温度场进行了三维数值模拟,提出了基于SYSWELD软件平台的焊接温度场数值模拟的分析方法，可以得到以下几个结论:

1.随着焊接速度的增加，进入准稳态的时间也随着延迟。并且随着焊接速度的增加，准稳态温度场峰值温度逐渐降低。

2.焊接温度场随着热源的移动也在发生着剧烈的变化，焊缝的加热速率远大于冷却速率，离焊缝中心距离越近的点，它的加热速率越大，峰值温度越高，冷却速度也越大。相反，离焊缝中心距离越远的点，它的峰值温度就越低，而且达到峰值温度的时间也就越长。

3.焊缝上任一点的温度变化与组织的变化是相配合的，只要加热温度达到了相变的温度，那么该组织就会发生变化，而且最后各组织所占的百分比也基本可以确定。

4.焊缝最后获得的组织是绝大部分贝氏体，少量马氏体和极少量残余奥氏体。焊缝上任一点在不同的焊接速度下可以得到比例不同的组织，从而会影响焊缝的组织性能。因此要想获得性能优良的组织，在焊接热输入一定的的情况下，必须严格控制焊接速度。以获得更多的贝氏体，减少马氏体的含量。

参考文献

[1]王长利.焊接温度场和应力场的数值模拟[D].沈阳工业大学.2015.

[2]徐艳利，魏艳红，董志波等.焊接接头组织模拟进展[J].材料科学与工艺，2016,4（2）:181-185.

[3]汪建华.焊接数值模拟技术及其应用[M].上海：上海交通大学出版社，2013.