低合金钢焊接接头仿真分析毕业论文(下)

1、第 19 页 共 32页 本科毕业论文 3 低合金钢Q345D焊接接头模拟结果 3.1 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

2、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。3.2 低合金高强钢Q345D的焊接工艺要点(1）焊缝成分的确定 Q345D焊接时，焊缝成分主要取决于焊接材料的选用。本文Q345D采用的是二氧化碳气体保护焊，查焊接手册知，按GB/T81101995标准中规定的采用与母材同质的焊丝，即选用其中的ER50-6。(2）焊前预热 焊前预热是防止冷裂纹的有效措施之一。Q345D在在低温下（如冬季野外作业）或在焊接厚度比较大的结构时，为了防止冷裂纹，需要采取预热措施。本文所做的模拟试件厚度为4mm，并且是在室温下焊接，故不需要预热。(3）焊后热处理 焊

3、后热处理主要是为了降低焊接接头的的硬度、改善接头韧性或者提高接头强度，降低焊后残余应力，本文只是为了观察Q345D焊后组织的变化，故不需要焊后热处理。(4）焊接方法的确定 为了减少因为焊工技能水平的问题所引起的误差，决定采用自动化焊接。因为所采用的试件厚度为4mm，用TIG焊无法一次性焊透，用埋弧焊在经济性上不划算，因此采用CO2气体保护焊，因为CO2的价格低廉，采用短路过渡方式时焊缝成形比较好，加上使用含脱氧剂的焊丝可以获得没有内部缺陷的高质量的焊接接头，因此这种焊接方法已成为黑色金属材料最重要的焊接方法之一。3.3 材料物理性能参数和焊接工艺规范焊接方法采用二氧化碳气体保护焊，母材为低合金

4、高强钢Q345D，采用填充材料焊接，填充焊丝为ER506，I型坡口。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。低合金钢Q345D和焊丝ER50-6的化学成分见表3.1所示，部分力学性能参数见表3.1。表3.1 试验材料的化学成分（%） 材料编号 CMnSi P S NiCr Mo CuQ345D0.181.00-1.600.550.0300.0300.030.030.004ER50-60.06-0.151.40-1.850.8-1.150.02

5、50.0350.50表3.2 试验材料的力学性能材料编号Rm/MPaRel/MPaA/%Akv/J(-20)Akv/J(-29)Q345D4425482127ER50-65004202227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=ER506；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=0.83.4 焊接温度场和焊缝组织模拟结果分析本文利用SYSWELD软件，计算完成后，可以读取每个时间步的结果

6、，可以分析每个时间步的温度场分布云图、沿焊缝方向各点的焊接热循环曲线、垂直焊缝（宽度）方向各点的焊接热循环曲线、焊缝中心点温度与相的演变过程以及在不同焊接速度下焊缝中心点各组织的变化特点。下面分别进行分析。两组模拟的加热过程分别为41.6秒、31.25秒，考虑到要观察焊后组织的变化（即焊件冷却到室温时的组织），因此整个加热和冷却过程的总时间为2000秒。3.4.1 焊接温度场分布特征焊接方法为CO2焊，极性采用直流反接，过渡形式为短路过渡，采用上面给定的焊接工艺参数。由温度场模拟结果我们可以作出温度场的动态变化动画。焊接刚开始时，温度场是不稳定的，但经过一段时间后，便达到饱和状态，形成暂时稳定

7、的温度场，称为准稳定温度场，焊件散失的热量和内部传输的热量等于焊件在热源作用下吸收的热量。随着焊接过程的持续，焊件上的整体温度越来越高。随着焊接时间的延长，等温面的范围逐渐变大，高温区域也越来越大，最后形成准稳定温度场。焊接速度为6mm/s时的温度场云图变化如图3.1所示，其中图3.1（a）、(b)、（c）、（d）、（e）是焊接时的温度场云图，（f）、（g）是冷却时的温度场云图。（a） t=0s(b)t=1s(c) t=4s(d) t=5s(e) t=42s(f) t=43s(g)t=2000s图3.1 焊接速度=6mm/s时不同时刻的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

8、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。在焊接开始时温度迅速升高，如从（a）图到（b）图，时间从0秒到1.0秒，最高温度从20迅速上升到1256，这时还未超过该材料的熔点（1505），钢材不熔化。当焊接进行到4秒到5秒时开始形成准稳态温度场，如（c）、（d）两图最高温度变化不大，分别为1889和1869。并且温度分布关于焊缝对称。这个时间内，焊接熔池从开始形成到逐渐长大，并在稳态时达到最大，熔池形状趋于稳定，最终达到一个稳定的动态过程。电弧在准稳定温度

9、场阶段燃烧时，熔池形貌基本保持不变。温度云图上的等温线形状（以焊接方向为长轴）近似椭圆，等温线在移动焊接热源前方较密集，温度梯度比较大，移动热源后方的等温线较前方稀疏，温度梯度也比较小。到焊接结束42秒时，温度达到最高，为2004，如（e）图所示。随后温度迅速下降，如开始冷却1秒左右（如图中43秒）时，最高温度迅速下降到1248，直到在空气中冷却到室温为止，如（f）图到（g）图。到2000秒时，最高温度与最低温度基本相同，为23左右。同理，焊接速度为8mm/s时也经历了相同的过程。并且焊接速度越大，准稳态温度场的加热最高温度越小。3.4.2 焊缝中心各点焊接热循环曲线从模拟结果中可以得到焊缝上

10、节点的热循环曲线，焊缝中心线上取间距为25mm的11个点（如图3.2），编号为1到11，节点依次为31、7407、14322、21237、28152、35067、41982、48897、55812、62727和69642。焊接速度为6mm/s时焊缝中心各点的焊接热循环曲线如图3.3所示。焊缝中心节点35067在不同焊接速度下的热循环曲线如图3.4所示。图3.2 所选节点位置图3.3 焊接速度=6mm/s时沿焊缝中心各节点的热循环曲线图3.4 焊缝中心节点35067在不同焊接速度下的热循环曲线从图3.3上可以看出，沿焊缝中心焊接方向上的节点，即焊接线上的节点，它们的温度热循环曲线特征相似，最高温

11、度均在1500以上，超过熔化温度（S355J2G3熔点为1505）。在焊接过程中，试件的温度随着热源的移动而变化，随着时间的推移，温度逐渐升高，达到最大值后，又逐渐降低；各个节点的加热速率要远大于其冷却速率，其原因是随着移动热源的作用，前面节点的熔池对该节点有预热作用，而当热源离开该节点后，该节点的熔池开始冷却，然而受到后面节点熔池的再热作用，从而降低了冷却速度，最后试件冷却到室温。从图3.4中还可以看出，所选择10个节点（除焊接开始点节点31）的温度热循环曲线形状相似，说明10个节点都进入了准稳态温度场。另外还可以看出焊接线上焊接开始节点31的最高温度远远低于其他的节点，当焊速为8mm/s时

12、，更是低于1500（钢材的熔点为1505），出现了未焊透。这里就可以解释在实际焊接生产中，焊接规范一定时，在引弧部位有一段未焊透，原因是在焊接刚开始时，工件的温度较低，准稳态的温度场无法马上形成，电弧热量不能将工件熔透，就会出现一定长度的未焊透，当焊接速度过快时，这种情况更加明显。生产中可以采取措施来防止这一缺陷：在引着弧后，先不急着移动，而是在焊接起始部位停留一会将工件预热，或者在焊接开始时将电流调大一点，将工件熔透后再使用制定的工艺。还可以在焊接开始部位固定一个引弧板，在引弧板上引燃电弧，当工件升高到一定温度后，再转移到工件上正常焊接。由途中还可以看出，节点温度在整个焊接过程中经历了快速加

13、热和快速冷却过程，这和文献资料基本吻合19。如图3.4所示，焊接速度越快，加热速率越快，冷却速率也越快。3.4.3 垂直焊缝（宽度）方向各点的焊接热循环曲线从模拟结果中，可以得到距焊缝中心0、2.18774、5.48276、10.0038、15.751、22.7241、30.9234、40.3487和50mm各点的热循环曲线（如图3.5所示），节点依次为21219、21527、21535、21566、21574、21492、21484、21476和21468，焊接速度为6mm/s时的各节点热循环曲线如图3.6所示。垂直焊缝的节点21492在不同焊接速度下的热循环曲线如图3.7所示。图3.5 垂

14、直焊缝各节点位置从图3.6可以看出，在焊接过程中，试件的温度随着热源的移动而变化，随着时间的推移，温度逐渐升高，达到最大值后，又逐渐降低；各个节点的加热速率要远大于其冷却速率，其原因是随着移动热源的作用，前面节点的熔池对该节点有预热作用，而当热源离开该节点后，该节点的熔池开始冷却，然而受到后面节点熔池的再热作用，从而降低了冷却速度，最后试件冷却到室温。图3.7显示到焊缝中心节点（21219）的距离不同的节点的热循环曲线不同，距焊缝越近的点，加热最高温度越高，距焊缝越远的点，加热最高温度越低，这与文献资料是基本相符的19。由图3.7可以看出随着焊接速度的加快，与焊缝垂直的同一节点的加热最高温度逐

15、渐降低，这说明焊接速度越快，单位时间内的热输入越小，在同样地散热条件下，所能够熔化的区域就越小，这也就解释了为什么焊接速度越快，焊缝就越窄，熔宽越小。图3.6 焊接速度=6mm/s时垂直焊缝各点的热循环曲线图3.7 垂直焊缝的节点21492在不同焊接速度下的热循环曲线3.4.4 焊缝中心点温度与相的演变过程现选取焊缝中心线上一节点(如35067节点)结合该钢材的CCT曲线来研究，S355J2G3的CCT曲线图如图3.8所示。焊接速度为6mm/s时温度与相变的演变如下图3.9与图3.10所示。图3.8 S355J2G3的CCT曲线图3.9 焊接速度=6mm/s时温度升高与组织变化的关系图3.10

16、 焊接速度=6mm/s温度降低与组织变化的关系 从图3.9和3.10可以看出，节点35067的热循环曲线与图3.6的一致，温度迅速升高，到最高温度后，开始迅速降温，直至室温。低合金钢S355J2G3的原始组织为铁素体。图3.9为前25秒温度变化与相变的关系，可以看到前17秒，温度变化不大，铁素体向奥氏体的转变也没有开始。当焊接进行到18.5秒时，温度上升到150左右，这时铁素体开始迅速向奥氏体转变，当焊接进行到21.5秒左右时，铁素体全部转变为奥氏体，即发生了相变重结晶，这时节点温度也达到最高。接着开始降低温度，这时焊缝组织只有奥氏体。从图3.10中可以看出，36秒左右，温度下降到大约660左

17、右，奥氏体开始向贝氏体转变。随着温度的不断下降，49秒左右，温度降低到440左右时，奥氏体向贝氏体转变结束，即发生了贝氏体转变，剩余的奥氏体开始向马氏体转变。直到200秒左右时，整个转变结束，组织不再变化。因此最后冷却到室温得到的组织是贝氏体、马氏体和少量残余奥氏体，并且贝氏体占绝大部分达到了85%。这与文献资料是基本相符的20。出现这种情况的原因是，焊后整个冷却过程的冷却速度是不断变化的，而且初期冷却速度很大，因此温度下降很快，所以直接越过珠光体而生成贝氏体，由于温度快速降低，因此奥氏体无法全部转变为贝氏体，当温度降到Ms线时，奥氏体开始向马氏体转变。从图中还可以看出在温度变化过程中，各个相

18、的比例关系总是确定的，在图3.9升温阶段，马氏体与奥氏体的比例关系总是确定的，在焊接19.5秒时，铁素体大约占70%，奥氏体大约为30%，而在焊接20.7秒时，铁素体大约占30%，奥氏体大约占70%。整个转变过程大约持续1秒，这也说明转变速度极快，几乎瞬间就完成了；同理在图3.10降温阶段，在35秒和49秒之间奥氏体与贝氏体的比例关系也确定的。焊接37秒时，奥氏体所占比例约为72%，贝氏体所占比例约为28%。到焊接45秒时，奥氏体所占比例约为34%，贝氏体所占比例约为66%。3.4.5 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

19、的加热冷却速率来研究。图3.11、3.12、3.13、3.14分别为焊接速度为6mm/s、8mm/s下铁素体、马氏体、贝氏体、奥氏体的变化情况。图3.11 不同焊接速度下铁素体含量的变化从图3.11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。从图3.12可以看出，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%。从图3.13可以看出，随着焊接速度的加快，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%。从图3.14可以看出，不同焊接速度下，奥氏体的含量

20、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。图3.12 不同焊接速度下马氏体含量的变化图3.13 不同焊接速度下贝氏体含量的变化图3.14 不同焊接速度下奥氏体含量的变化3.5 本章小结本章利用SYSWELD软件对平板对接接头的温度场和组织变化进行了三维动态模拟，得到了瞬

21、态温度场分布图和节点的热循环曲线，同时也得到了焊缝上节点的温度变化和组合转变的关系，还有焊缝上节点在不同焊接速度下的组织变化特点。查阅相关文献资料可以看出，所建立的数值模型可以较好的模拟焊接温度场和焊缝组织的变化。结论本文对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，由于条件的限制，本文没有做实验测量以及理论计算，对对接接头的模拟所使用的一些熔池几何尺寸均来自于参考文献。最后也没有与实验结果做对比，仅仅与其他参考资料的相关数据做了验证。通过对模拟结果的分析,可以得到以下几个结论:1.在焊接过程温度场的动态变化过程中，焊接速度

22、为6mm/s时在焊接开始后4秒左右温度场开始进入准稳态，温度场的大小和分布基本不变。焊接速度为8mm/s时则是在焊接开始后9秒左右开始进入准稳态。这说明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

23、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。致谢时光荏苒，岁月如梭，近三个月的毕业设计终于进行到了尾声，本文是在导师闫俊霞老师的悉心指导下完成的。从选题、查阅相关资料、确定研究方向、撰写开题报告，开题报告答辩，再到实质性的进行课题研究，最后撰写毕业论文，整整三个月时间都是在忙碌中度过的。整个毕设期间，老师的一言一行，一举一动都深深的影响着我。

24、老师丰富的知识、严谨的教学态度以及无微不至的关怀让我从中学到很多。在此，对闫俊霞老师致以崇高的敬意和真挚的谢意。整个毕业设计期间可以说从一开始就不顺利，困难无数。软件的安装给了我们当头一棒，关于软件的相关资料又非常少，安装过程中出现的各种问题需要我们自己去摸索和解决。由于SYSWELD软件是全英文软件，这对我这样英文不好的人来说无疑是一个拦路虎。最后在查找了相关教程和一些简单的例子，同时向老师请教后才对软件慢慢变得了解。这其中付出了无数的辛苦和汗水。之后的工作中，利用图书馆、网络上丰富的资源查阅了大量的参考文献、书籍和其他觉得有用的的资料。从中我学到了很多和课题有关的知识，直到最后完成课题研究

25、。这期间的每一次的难题的解决都有着老师和同学的帮助和支持。同学之间互相支持、互相帮助、互相鼓励，一路相互扶持着走过，我从每个人身上都学到了很多东西。在此我要深深的感谢我亲爱的同学们，是你们让我知道了什么是集体的温暖，也让我看到了集体的力量。毕业设计的最终完成让我有一种神圣的成就感，从无到有，每一个问题的解决对自己来说都是一种提高。整个过程不仅锻炼了我发现问题、独自解决问题的能力，也塑造了我坚韧不拔的毅力。对一个准毕业生来说，这两点都是很重要的。最后再一次感谢我敬爱的老师和亲爱的同学们。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.2005.2. 徐艳利，魏艳红，董志波等.

26、焊接接头组织模拟进展J.材料科学与工艺，2006,4（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，2003. 4. 吴言高，李午申，邹宏军等. 焊接数值模拟技术发展现状J. 焊接学报， 2002，(3):89-92.5. 焦立新. 焊接仿真技术应用与未来发展J. 航空制造技术， 2008，（8）:48-50.6. 鲁丽君，白世武，丁红胜.焊接接头有限元模拟的研究进展J.金属世界,2008,(3):35-38.7.华鹏，孙俊生.有限元软件SYSWELD在数值模拟中的作用J.山东机械，2005，（1）:10-12. 8. 雷卡林 H.H 著，庄鸿寿，等译.焊接热过程计算M.北京：中国工业出版社，1958.2.9. 陈楚等，数值分析在焊接中的应用M.上海：上海交通大学出版社，1985，80-82.10. 陈楚，汗建华，杨洪庆.水下焊接冷却特性的有限元分析J.海洋工程，1993，4:34-38.11. WANG J， et al Impr