楊春牛 郭志紅 王旗 馬晨雨 陳振業(yè) 朱立光

摘 要：

為了減少焊接時(shí)產(chǎn)生的高溫對熱影響區(qū)韌性的影響，分別研究了焊接線能量、焊絲功率分配、焊接電壓和焊絲間隔對溫度場的影響?；赩isual-Environment有限元軟件，利用雙橢球熱源模型，對30 mm厚EH420船板鋼三絲埋弧焊接溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：1）當(dāng)線能量從150.26 kJ/cm降低到104.72 kJ/cm時(shí)，粗晶區(qū)峰值溫度降低了322 ℃；2）當(dāng)線能量相同時(shí)，前絲功率占比從25.00%上升到41.67%，且中絲功率占比不變的情況下，粗晶區(qū)峰值溫度降低了56.79 ℃；3）提高焊接電壓后，粗晶區(qū)峰值溫度、熔深和熔寬變化較??；4）焊絲間隔從20 mm增加到45 mm，熔池長度增大了50 mm，并在焊絲間隔40 mm之后出現(xiàn)由單熔池向雙熔池轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，粗晶區(qū)峰值溫度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，焊絲間隔在35 mm達(dá)到最高溫度1 183.62 ℃；5）從擬合結(jié)果得出，在焊接30 mm厚的EH420船板鋼“Y”型坡口時(shí)，線能量應(yīng)采用174.54 kJ/cm，在此線能量下前、中、后絲的功率占比采用15∶11∶7且焊絲間隔為20～30 mm，能夠有效避免出現(xiàn)焊接缺陷。研究結(jié)果既可以保證焊接質(zhì)量，又可以大幅提高焊接效率，為企業(yè)降本增效提供新方法。

關(guān)鍵詞：

焊接工藝與設(shè)備；埋弧焊；數(shù)值模擬；溫度場；船板鋼

中圖分類號：

TG445

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2024yx03006

收稿日期：2023-05-25;修回日期：2023-10-08；責(zé)任編輯：王海云

基金項(xiàng)目：國家區(qū)域聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目（U21A20114）；河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20311003D，21311002D）；河北省自然科學(xué)基金（E2021208017）；高端鋼鐵冶金聯(lián)合基金項(xiàng)目（E2021208006）

第一作者簡介：

楊春牛（1997—），男，河北邯鄲人，碩士研究生，主要從事冶金過程數(shù)值模擬方面的研究。

通信作者：

郭志紅副教授。E-mail：guozhihong191@163.com

楊春牛，郭志紅，王旗，等.

30 mm厚EH420船板鋼三絲埋弧焊接溫度場數(shù)值模擬研究

［J］.河北工業(yè)科技，2024，41（3）：203-211.

YANG Chunniu，GUO Zhihong，WANG Qi，et al.

Numerical simulation on temperature field of three wire submerged arc welding of 30 mm EH420 ship plate steel

［J］. Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2024，41（3）：203-211.

Numerical simulation on temperature field of three wire submerged arc welding of 30 mm EH420 ship plate steel

YANG Chunniu1，2， GUO Zhihong1，2， WANG Qi1，2， MA Chenyu1，2， CHEN Zhenye3， ZHU Liguang1，2

（1.School of Material Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2.Hebei Key Laboratory of Materials Near-net Forming Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 3.HBIS Group Technology Research Institute， Shijiazhuang， Hebei 050000， China）

Abstract：

In order to minimize the effect of the high temperatures generated during welding on the toughness of the heat-affected zone， the effects of welding line energy， wire power distribution， welding voltage and wire spacing on the temperature field were investigated separately. Based on Visual-Environment finite-element software， numerical simulation of the temperature field of three wire submerged arc welding of 30 mm EH420 shipboard steel was carried out by utilizing the double-ellipsoid heat source model. The results show that： 1）When the welding energy definition decreases from 150.26 kJ/cm to 104.72 kJ/cm， the peak temperature in the coarse crystal area decreases by 322 °C. 2）At the same welding energy definition， the peak temperature in the coarse crystal area decreases by 56.79 ℃ when the power share of the first welding wire increases from 25.00% to 41.67% and the power share of the middle welding wire remains unchanged. 3） Increasing the welding voltage results in less variation in peak temperature， depth and width in the coarse crystal area. 4）The wire spacing increases from 20 to 45 mm， the length of the melt pool increases by 50 mm， and there is a transition from single melt pool to double melt pool after the wire spacing of 40 mm. The peak temperature of the coarse crystal area shows the trend of increasing and then decreasing， and the wire spacing of 35 mm reaches a maximum temperature of 1 183.62 ℃. 5） From the fitting results， in welding 30 mm EH420 ship plate steel "Y" type interface， the welding energy should be 174.54 kJ/cm. In this welding energy the power ratio of the front， middle and rear wires should be 15∶11∶7， and the wire spacing should be 20～30 mm， which can effectively avoid the welding defects. The research results can not only ensure the welding quality， but also significantly improve the welding efficiency， providing a new method for the enterprise to reduce costs and increase efficiency.

Keywords：

welding process and equipment; submerged arc welding; numerical simulations; temperature field; ship plate steel

在船體建造過程中，焊接工時(shí)約占造船總工時(shí)的30%～40%，在厚板焊接過程中，常采用大線能量提高焊接效率，而三絲埋弧焊技術(shù)以其高效率、大熔深、高焊縫質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用［1-2］。與單絲埋弧焊相比，多絲埋弧焊的熱輸入較大，焊縫及熱影響區(qū)組織比較粗大，導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能降低。而焊接熱影響區(qū)（heat-affected zone， HAZ）的顯微組織主要取決于焊接熱循環(huán)，因此分析焊接溫度場對研究焊接接頭的顯微組織及焊接接頭性能具有重要意義［3］。焊接工藝參數(shù)不僅影響著熱循環(huán)曲線，還影響著焊縫的質(zhì)量，不合理的焊接工藝參數(shù)都會導(dǎo)致焊縫質(zhì)量的下降［4］。在確定焊接工藝參數(shù)時(shí)，通過實(shí)際焊接過程確定合理的焊接參數(shù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而應(yīng)用數(shù)值模擬可以節(jié)約成本，提高效率，更直觀、全面地反映不同工藝參數(shù)對焊縫的影響［5］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已成為解決各種復(fù)雜焊接工程問題的有效工具。周勇等［6］運(yùn)用ANSYS軟件，在復(fù)合熱源條件下對HG785D高強(qiáng)度鋼進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得12 mm厚HG785D高強(qiáng)度鋼最佳焊接工藝參數(shù)。許新猴等［7］將數(shù)值模擬和焊接實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，證明了柱體熱源與橢球熱源的組合熱源在D500鋼激光深熔焊接溫度場中的適用性。宗峰等［8］利用MSC.Marc軟件對16 mm厚的E36鋼板雙絲埋弧焊接溫度場進(jìn)行了模擬，研究了不同焊接速度下雙絲間距對熱影響區(qū)寬度的影響規(guī)律。

近年來，越來越多的企業(yè)開始采用三絲埋弧焊來進(jìn)一步提高厚板焊接的生產(chǎn)效率。目前對于多絲埋弧大線能量焊接工藝參數(shù)的研究較少，并且大線能量焊接在提升焊接效率的同時(shí)也存在一定的缺陷，在焊接過程中由于高溫?zé)嵫h(huán)的作用會使高溫停留時(shí)間變長，導(dǎo)致熱影響區(qū)中奧氏體晶粒粗化，在隨后的奧氏體固態(tài)相變過程中容易形成貝氏體、魏氏組織等會降低鋼板韌性的非正常組織，這些非正常組織嚴(yán)重影響著鋼板的安全性能［8］。目前主要通過添加不同微合金元素改善基體，從而提高鋼板焊接后的低溫沖擊韌性，然而焊接參數(shù)同樣可以影響到焊接質(zhì)量［9］。因此，本文利用Visual-Environment有限元軟件對30 mm厚EH420船板鋼進(jìn)行三絲埋弧焊接數(shù)值模擬研究。通過對不同焊接工藝參數(shù)下溫度場的研究，系統(tǒng)地分析了熱影響區(qū)循環(huán)曲線以及熔池的熔深和熔寬變化，提出較為合理的后續(xù)焊接工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用由某鋼廠提供的EH420船板鋼，化學(xué)成分見表1，其熔點(diǎn)為1 520 ℃，材料的熱物性參數(shù)如表2所示。焊接過程如圖1所示，三絲埋弧焊采用獨(dú)立電源供電，電源類型組合為前絲直流（directcurrent，DC），中絲和后絲為交流（alternating current，AC），以避免出現(xiàn)“直流+直流”組合造成電弧磁偏吹現(xiàn)象，有利于電弧穩(wěn)定焊接。采用三根沿焊縫長度方向縱向排列的焊絲，前絲向前傾斜，與焊件的夾角a=75°，中絲垂直于焊件，后絲向后傾斜，與焊件的夾角b=60°；前絲與中絲、中絲與后絲的間距都為L。

1.2 幾何模型

模擬件尺寸為400 mm×100 mm×30 mm，試件開“Y”型坡口，鈍邊為3 mm，焊縫最寬處為20 mm，如圖2所示。

采用Visual-Mesh模塊建立鋼板對接焊的三維有限元模型，焊接模型采用2種類型的單元建模，采用8節(jié)點(diǎn)的三維體單元和4節(jié)點(diǎn)的二維面單元。模型本體使用三維單元模擬鋼板焊接過程，模型表面采用二維單元，模擬焊接表面與空氣的熱交換［10］。由于焊縫區(qū)溫度梯度大，為了保證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確度，對焊接接頭區(qū)域采取精細(xì)的網(wǎng)格劃分，在遠(yuǎn)離焊縫的母材部分采用較粗的網(wǎng)格［11］，模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

l

圖中所示的（1）、（2）和（3）分別代表3根焊絲所填充的中心區(qū)域，在焊接過程中這3個(gè)區(qū)域互相影響并非相互獨(dú)立。

1.3 熱源模型

在進(jìn)行焊接溫度場模擬時(shí)，熱源模型的選取十分重要，它關(guān)系到溫度場分析的準(zhǔn)確性。根據(jù)中厚板焊接熔深大這一特點(diǎn)， 選用GOLDAK等［12］提出的雙橢球熱源模型。雙橢球模型對熱源前、后半橢球體分別采用不同的函數(shù)進(jìn)行描述，設(shè)前、后半橢球體內(nèi)輸入熱源的份額分別是ff，fr，前、后半橢球體內(nèi)的熱流分布如式（1）和式（2）［13］所示。

前半部熱流密度：

qf（x，y，z）=

63ffQπafbhchπ×

exp－3x2a2f－3y2b2h－3z2c2h，x≥0。（1）

后半部熱流密度：

qr（x，y，z）=

63frQπarbhchπ×

exp－3x2a2r－3y2b2h－3z2c2h，x<0。（2）

式（1）和式（2）中：Q為熱輸入量；af為雙橢球后部分長軸;ar為雙橢球前部分長軸;bh為雙橢球后半部分短軸;ch為雙橢球深度；ff，fr分別為雙橢球前后部分的能量分?jǐn)?shù)，且ff+fr=2。

1.4 焊接工藝參數(shù)

模擬計(jì)算采用的焊接工藝參數(shù)如表3所示。

方案1、方案2和方案3研究了線能量對溫度場的影響；方案1、方案4和方案5研究了線能量相同時(shí)，焊絲功率分配（不同焊絲占3根焊絲總功率的比值）對焊接溫度場的影響；方案1、方案6和方案7研究了線能量相同時(shí)焊絲電壓對溫度場的影響；方案1以及方案8—方案12研究了焊接線能量不變時(shí)，焊絲間隔對溫度場的影響。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用如表4所示的焊接工藝參數(shù)對焊板分別進(jìn)行實(shí)際焊接和數(shù)值模擬，通過對比數(shù)值模擬與實(shí)際焊接的焊縫熔池參數(shù)來驗(yàn)證模型的可靠性。

圖4是數(shù)值模擬與實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)焊縫形狀及熔池參數(shù)的對比。在三絲埋弧焊模擬中，由于焊絲間隔的原因，3根焊絲并不是同時(shí)進(jìn)行起弧，焊絲之間起弧存在時(shí)間間隔，熔池前端呈坡度形式，如圖4 a）中虛線所示。為了更好地分析數(shù)值模擬與實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)的熔池誤差，分別對比焊縫上表面的熔寬、1/2處的熔寬以及熔深。如圖4 b）中（1）、（2）和（3）與圖4 d）—f）中的（3）、（2）和（1）所示：（1）代表焊縫上表面的熔寬;（2）代表焊縫1/2處的熔寬;（3）代表焊縫中的熔深。通過對比焊縫的熔池參數(shù)得知：數(shù)值模擬與實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)中（1）、（2）和（3）的誤差分別是6.76%，2.98%和8.49%，誤差均小于10.00%，在可接受的范圍［14］，證明了模型的可靠性。圖4 d）表示前絲到達(dá)某一橫截面時(shí)的熔池形貌，圖4 e）和圖4 f）分別是中絲和后絲到達(dá)該橫截面時(shí)熔池形貌，圖4 g）是熔池縱截面，如圖所示，3根焊絲共熔池，能夠提高焊接效率。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

選取焊件中部熱影響區(qū)相同位置點(diǎn)的熱循環(huán)曲線以及焊件中部橫截面的最大熔深和最大熔寬來分析焊接溫度場［15-16］。

3.1 焊接線能量對溫度場的影響

為了研究焊接線能量對溫度場的影響，采用表3中的方案1、方案2和方案3進(jìn)行模擬。

焊接線能量計(jì)算公式如式（3）所示。

Q=1 000∑3i=1UiIi60v，（3）

式中：Q表示焊接線能量，kJ/cm；U表示電壓，V；I表示電流，A；v表示焊接速度，cm/min。

焊接線能量依次為150.26，123.43和104.73 kJ/cm，對應(yīng)的焊接速度（v1，v2，v3）依次為23，28和33 cm/min。圖5是不同焊接線能量對熱循環(huán)曲線和熔池參數(shù)的影響。

如圖5 a）所示，當(dāng)焊接速度不同時(shí)，熱源到達(dá)焊件中部的時(shí)間不同，熱影響區(qū)測溫點(diǎn)的峰值溫度也不同。方案1、方案2和方案3的峰值溫度分別是1 178.83，1 004.64和856.83 ℃。隨著焊接速度的提高，熱影響區(qū)的峰值溫度降低。焊接速度過慢，熱影響區(qū)溫度升高，高溫停留時(shí)間較長，會導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能降低；焊接速度過快，則易造成焊縫未焊透等缺陷，因此選擇合理的焊接速度對于焊接有重要意義。如圖5 b）所示，隨著焊接速度從23 cm/min提高到33 cm/min，熔池的熔深和熔寬分別減小了2.0 mm和3.8 mm。最大熔深和最大熔寬的變化與焊接速度呈線性相關(guān)，對其進(jìn)行線性擬合，得到式（4）和式（5）。

H=-0.2v+33.96，（4）

D=-0.38v+34.40，（5）

式（4）和式（5）中：H為最大熔深，mm；D為最大熔寬，mm。

為了更好地焊接鋼板，熔池的最大熔深應(yīng)與板厚一致。當(dāng)H=30.00 mm時(shí)，v=19.80 cm/min，此時(shí)D=26.87 mm＞20.00 mm，熔池的最大熔寬能填滿焊縫。

3.2 前絲功率占比對溫度場的影響

為了研究焊絲功率分配對溫度場的影響，采用表3中方案1、方案4和方案5進(jìn)行數(shù)值模擬，前絲功率占比P1，P4，P5（前絲功率與三絲功率之和的比值）依次為41.67%，33.33%和25.00%，中絲功率占比不變。圖6是不同前絲功率占比下的熱循環(huán)曲線和熔池參數(shù)。

由圖6 a）所示，焊接在47 s左右熱源到達(dá)焊件中部，該處節(jié)點(diǎn)溫度迅速上升并達(dá)到峰值溫度，隨后熱源離開，溫度下降。方案1、方案4和方案5的峰值溫度分別是1 178.83，1 210.75和1 235.62 ℃。隨著前絲功率占比上升了16.67%，測溫點(diǎn)峰值溫度降低了56.79 ℃。如圖6 b）所示，當(dāng)前絲功率占比從25%增加到41.67%，熔深從26.2 mm增加到了29.4 mm，熔寬從27.2 mm減小到了25.8 mm。在焊接熔池中，熔深主要受電流的影響，因此當(dāng)前絲功率占比增大時(shí)，電流增大，使熔深增大；熔寬主要受后絲的影響，因此當(dāng)后絲功率占比減小時(shí)，后絲電流降低，熔寬減小。在實(shí)際焊接過程中，當(dāng)線能量一定時(shí)，設(shè)置前絲功率＞中絲功率＞后絲功率，可以降低熱影響區(qū)的峰值溫度，使熱影響區(qū)高溫停留時(shí)間變短，提高粗晶區(qū)的力學(xué)性能。若前絲功率占比太大，熔深變大，會導(dǎo)致焊穿焊縫；同時(shí)熔寬變小，導(dǎo)致后絲填充量不能完全覆蓋焊縫。因此在保證能夠焊合焊縫的情況下，盡量降低熱影響區(qū)的峰值溫度。熔深和熔寬的變化和前絲功率占比呈線性相關(guān)，對其進(jìn)行線性擬合，得到式（6）和式（7）：

H=18.72b+21.54，（6）

D=-8.82b+29.45，（7）

式中，b為前絲功率占比。

當(dāng)H=30 mm（板厚）時(shí)， b=45.19%，此時(shí)D=25.46 mm＞20 mm，表明能夠填滿焊縫，此時(shí)最大熔深為30 mm，能夠達(dá)到鋼板厚度。

3.3 焊接電壓對溫度場的影響

為了研究相同線能量下不同焊接電壓對溫度場的影響，采用表3中方案1、方案6和方案7進(jìn)行數(shù)值模擬，其焊絲功率（P1，P6，P7）依次為57.6，66.6和75.6 kW，其對應(yīng)焊接速度也同比例增大。圖7是相同焊接線能量下不同焊接電壓對熱循環(huán)曲線和熔池參數(shù)的影響。

如圖7 a）所示，當(dāng)焊接線能量保持不變時(shí)，同時(shí)改變焊接電壓與焊接速度，熱影響區(qū)的峰值溫度不同，方案1、方案6和方案7的峰值溫度分別1 178.83，1 181.64和1 184.95 ℃。隨著焊接電壓的提高，熱影響區(qū)的峰值溫度也升高，但由于線能量保持不變，熱影響區(qū)溫度場整體變化不大，因此，提高焊接電壓對熱影響區(qū)組織影響較小，對其力學(xué)性能的影響也較小。如圖7 b）所示，隨著焊絲電壓的增大，熔池的熔深減小了0.33 mm，熔寬增大了0.47 mm。熔池的熔深和熔寬受電流、電壓和焊接速度共同的影響［17］，隨著焊接電壓和焊接速度增大，但熔深呈減小趨勢，說明熔深受焊接速度的影響更大；熔寬呈增大趨勢，說明電壓使熔寬增大。熔池的熔深與熔寬與焊絲功率成線性相關(guān)，對其進(jìn)行線性擬合，得到式（8）和式（9）：

H=-1.84×10-5P+30.42，（8）

D=2.60×10-5P+24.24，（9）

式中，P為焊絲總功率，W。

由式（8）和式（9）所示，斜率數(shù)量級為10-5，遠(yuǎn)低于式（6）中的數(shù)量級，因此改變焊接電壓對熔池參數(shù)影響較小。

3.4 焊絲間隔對溫度場的影響

為了研究焊絲間隔對溫度場的影響，采用表3中方案1和方案8—方案12進(jìn)行數(shù)值模擬。圖8是不同焊絲間隔對熱循環(huán)曲線的峰值溫度和熔池參數(shù)的影響。

如圖8 a）所示，當(dāng)焊絲間隔增大時(shí)，粗晶區(qū)峰值溫度呈先增大后減小的趨勢，在焊絲間隔為35 mm時(shí)，達(dá)到最大值1 183.62 ℃。熔深和熔寬呈現(xiàn)與峰值溫度相同的變化趨勢，如圖8 b）所示。

圖9是熔池縱向截面溫度場，如圖所示，當(dāng)焊絲間隔越大時(shí)，熔池的長度越長。如圖9 c）所示，當(dāng)焊絲間隔為40 mm時(shí)，熔池有單熔池變成雙熔池的趨勢。當(dāng)焊絲間隔為45 mm時(shí)，單熔池變成了雙熔池，如圖9 d）所示。峰值溫度呈先增大后減少的趨勢，這是由于焊絲間隔較小時(shí)，熔池長度也較小，使熱影響區(qū)的高溫停留時(shí)間變短，導(dǎo)致溫度降低；隨著焊絲間隔的增大，溫度升高，在35 mm時(shí)，溫度達(dá)到最大，為1 183.62 ℃；焊絲間隔進(jìn)一步增大，熔池長度變大，熔池有單熔池變成雙熔池的趨勢，無法使熱源集中，導(dǎo)致溫度降低。隨著焊絲間隔減小，粗晶區(qū)峰值溫度降低，因此在保證熔池穩(wěn)定的前提下，焊絲間隔越小越好。

4 結(jié) 語

利用Visual-Environment有限元軟件，采用雙橢球模型，進(jìn)行了三絲埋弧焊接數(shù)值模擬計(jì)算，通過分別改變焊接線能量、焊絲功率分配、焊接電壓和焊絲間隔，分析某單一變量對焊接溫度場的影響，得到如下結(jié)論：

1）線能量降低時(shí)，熔寬比熔深下降得更快；

2）保持線能量不變，改變焊絲功率占比，熔深大小取決于前絲功率的大小，熔寬大小取決于后絲功率大??；

3）在線能量不變的情況下，同時(shí)增大焊接電壓與焊接速度，對測溫點(diǎn)溫度影響較小，并且熔深主要受焊接速度的影響，減少了0.33 mm，熔寬則受到電壓的作用，變寬了0.47 mm；

4）焊絲間隔從20 mm增加到了45 mm，熔池長度增加了50 mm，并在焊絲間隔達(dá)到40 mm時(shí)出現(xiàn)由單熔池向雙熔池轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，而當(dāng)焊絲間隔為35 mm時(shí)，測溫點(diǎn)峰值溫度達(dá)到最大，為1 183.62 ℃；

5）在焊接30 mm厚EH420船板鋼時(shí)線能量宜采用174.54 kJ/cm，前、中、后絲的功率占比采用15∶11∶7且焊絲間隔為20～30 mm，能夠有效避免出現(xiàn)焊接缺陷。

本研究在模擬焊接時(shí)忽略了實(shí)際焊接時(shí)造成的焊縫堆疊與成型粗糙等缺陷，因此還需要更多實(shí)驗(yàn)結(jié)果的積累來修改熱源模型參數(shù)，使模擬結(jié)果能夠更加接近實(shí)際情況，從而降低焊接出現(xiàn)缺陷的幾率。

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