焊接过程氢扩散的数值分析

焊接过程氢扩散的数值分析102060054曾鹏摘要：采用ABAQUS有限元分析软件对氢在不均质焊接接头的扩散进行了模拟计算，结果表明，对20MnNiM。钢焊接接头，随时间延续，焊缝金属中的氢浓度逐渐降低，而熔合区以外区域氢的浓度经历了一个峰值变化过程。由于焊接接头不同部位氢的扩散系数和溶解度不同，一定时间以后热影响区中的氢浓度超过焊缝金属和母材；预热使焊缝金属中的氢浓度快速降低，并缩短热影响区出现峰值浓度的时间；后热可加速氢从焊接接头的逸出，降低热影响区氢浓度峰值并缩短其出现时间。1.序言焊接氢致裂纹是低合金钢焊接时最容易产生，而且危害最为严重的焊接工艺缺陷，它常常是焊接结构失效破坏的主要原因。因此，评定焊接氢致裂纹敏感性，预防氢致裂纹的产生一直是低合金高强度钢焊接性和焊接工艺研究的最重要内容之一。大量研究工作表明，焊接区扩散氢含量、结构的拘束应力水平及淬硬组织的存在是氢致裂纹产生的三个主要因素。当下述四种条件同时存在时，焊接氢致裂纹将可能发生［1］。（1）扩散氢含量达到临界浓度；（2）足够大的应力强度；（3）对氢敏感的组织结构；（4）温度低于200。。左右。由于氢原子体积小、活性强，即使在较低的温度下氢在金属中也有较强的扩散能力，因此焊接接头微区中的瞬态氢含量是难以测定的。尽管国内外学者对焊接接头微区氢测定技术进行过多种尝试，但是迄今为止尚无成熟测试技术可以用于焊接接头微区中的瞬态氢含量测定。由于缺乏焊接接头微区中瞬态氢含量的数据，目前尚不能提出氢致开裂的准确判据，也难以深入地认识氢致裂纹产生的机制。如何确定氢致裂纹产生的临界氢浓度，如何准确地预测氢致裂纹产生的时间和位置仍然是焊接界的一个难题。近年来，随着计算机技术的发展，采用数值分析的手段对焊接过程中氢的扩散和聚集行为进行分析受到各国焊接学者的普遍重视，先后发了一些文章⑵，其中大部分对氢的计算分析是基于Fick第二定律，即将焊接接头假定为一个均匀介质，氢扩散的驱动力是氢的浓度梯度。但是，实际焊接接头中母材、热影响区和焊缝金属的微观组织存在着显著的差异⑶，同时，焊接接头还存在着焊接残余应力和应变［4］，实际焊接接头不是一个均匀的介质，Fick第二定律不能解决焊接接头微观氢扩散及聚集问题。本文采用ABAQUS有限元分析软件，对氢在非均质焊接接头中的扩散过程进行了初步的计算模拟［5罚。2氢扩散基本理论扩散相在扩散中应满足质量守恒定律，即TOC\o"1-5"\h\zj^LdV+jn•Jds=0,（1）dtvs式中：V表示体积；S表示体积V的表面；n表示垂直表面S的矢量；J为扩散相的浓度流；nJ表示离开S表面的浓度流。将式（1）中引入活度变量80,再经过推导变换可得到物质扩散的主导方程：j［80（空）—^!^.j］dv+j8①n•Jds=0（2）dt办vs在不均匀介质中，扩散的驱动力是扩散相的化学势梯度。氢在不均质焊接接头中的扩散也遵循同样的规律，即氢的扩散受氢的化学势梯度驱动，（3）J=—°C.坐R(0—0z)dx式中"表示化学势，^=^0+R（O-Oz）lnO+PVH；椿为一常量；R为气体常数；VH^氢摩尔分压。由于浓度等于活度与溶解度的乘积，将c=Os及四带入式（3），经推导便有（3）J=—Ds［。①+ks（ln（0—0z）+kp印）］,（4）dxdxdx式中：D（c，0，f）表示扩散系数；s（0，f）表示溶解度；ks（c，0，f）表示由温度梯度驱动扩散的“soret效应”系数；0表示温度；0z表示绝对温度零度；kp（c，0，f）表示由应力梯度驱动扩散的应力系数；p=-trace（o）/3为等效应力;俵示其它预定场变量。将变量c=Os及式（4）代入式（1）中便可以获得氢扩散本构方程j枷半+籍）+攀xsD（&嘉&kp#）］dV=j8g,（5）dtd0dtexex（0—0z）exexvs式中：q=-nj是通过S面进入到物质中的扩散物浓度流岛12］。3.20MnNiMo钢焊接接头各区域中氢的扩散系数及溶解度测定焊接接头组织的非均匀性使氢在焊接接头各区域中有不同的扩散性质，为了模拟计算氢在实际焊接接头的扩散过程，采用气相渗透法对氢在焊接接头各区域中的扩散系数及溶解度进行测定。试验是在不锈钢超高真空气相渗透装置上进行，测试过程是先将试样两侧抽至高真空，然后充氢侧输入一定压力的超纯氢（99:9999%），氢从试样一侧渗透到另一侧，用超高真空计测量监测室压力的变化，从而精确测定出到达另一侧的氢流量。通过测定在一定温度和驱动氢压下氢渗透过程的动力学曲线，采用“时间滞后法”计算出渗透率、扩散系数和溶解度。试件采用20mmX0.3mm薄片，焊缝、热影响区及母材的氢渗透试件均取自20MnNiM。钢实际焊接接头。测试结果见表1所示。表120MnNiMo钢焊接接头不同区域氢的扩散系数及溶解度测试结果LocationDiffusivitySolubilityBasemetal3.4x10-2exp(-17/RT)24exp(-18/RT)Heat-affectedzone1.1x10-1exp(-18/RT)7.2exp(-16/RT)Weldmetal1.9x10-1exp(-20/RT)6.2exp(-19/RT)4氢在焊接接头的扩散过程的几项基本假设为了简化计算，本研究对焊接接头的氢扩散过程做如下假设。（1）氢在焊接接头各区域的扩散只以原子形式进行，扩散过程中不形成氢分子；（2）氢逸出金属表面时不受表面效应的影响，即氢一旦扩散到试板表面，氢原子即结合成氢分子，进入大气中；（3）在氢扩散计算过程中忽略了气孔、夹杂等宏观缺陷的影响；（4）氢在焊接接头各部位的扩散系数是各向同性，即在X,Y方向的扩散系数相同；（5）氢在不均匀介质的边界处其化学势变化连续，并满足质量守恒定律。5.有限元网格划分和初始条件及边界条件4.1试板几何模型及有限元网格划分1/2试板几何模型及尺寸见图1所示，氢扩散计算有限元网格划分情况见图2所示。为了节省计算机资源同时保证焊接区氢扩散计算结果的精度，采用了不均匀网格，即焊接区较密，而其它部位较疏。计算发现，当焊接区网格尺寸在1mm

左右时，能够保证氢扩散计算的精度。本计算使用的模型节点数2761，单元数2427.图11/2试板尺寸4.2初始条件和边界条件各节点上的氢活度（中）根据9=C/S计算得到，其中C表示氢浓度；S表示相应温度下的溶解度。由于焊接氢源是以一定速度随焊接电弧移动加入的，本计算采用通过改变边界条件加入焊接氢源。氢扩散计算的初始条件和边界条件如下。图2有限元网格划分（1）初始条件：开始焊接时，试板各部位氢活度O.=0；初始温度为室温15°C，即T=288k。（2）边界条件：根据假设，在整个扩散过程中，试板边界上各节点的氢活度为零（队=0），而焊接电孤所到位置处各节点的氢活度为队=C0/S，其C0=3.4821ppm。

6焊接接头氢扩散计算结果6.1氢在非均质焊接接头中的扩散过程采用DC2D4单元、瞬态分析程序进行氢扩散计算，通过控制DCMAX（活度迭代误差）保证计算精度。在瞬态氢扩散分析中ABAQUS采取自动调整时间增量的方式来满足计算精度的要求。氢在非均质焊接接头中的扩散过程如图3所示。图3中曲线1和2表示试板中心部位的焊缝金属位置，其中WELD2靠近焊接热影响区；曲线3是试板中心部位焊接热影响区；曲线4为靠近焊接热影响区的母材。从图3中可以看到，随着焊后时间的延续，焊缝金属中的氢浓度逐渐降低，而热影响区及母材中的氢浓度逐渐增多，达到峰值后逐渐降低。这一计算结果与Grongg4等的计算结果相似，但有明显区别，即Grong^等对于氢的计算分析是基于Fick第二定律，将焊接接头假定为一个均匀介质，在此假设条件下，焊接热影响区部位的氢浓度永远也不会超过焊缝金属，热影响区的氢不会产生“集聚”，而本计算是基于扩展Fick第二定律，计算时考虑到焊接接头各区域不均匀组织的影响。对于20MnNiM。钢焊接接头，在不预热条件下，氢在热影响区中出现峰值浓度的时间约30h，峰值浓度约为焊缝初始浓度的0.6倍，此后，焊接热影响区中氢浓度将长时间超过焊缝金属。由于焊接热影响区容易产生淬硬组织，如果氢浓度较高，就容易在此产生焊接氢致裂纹。5.0Tim*i/s图3试板焊缝中心部位氢浓度变化Tim*i/s6.2预热对氢扩散的影响预热可以降低焊接冷却速度，有利于氢的扩散和逸出，在实际焊接生产中预热是一种广泛使用的防止氢致裂纹的工艺措施。根据实测，在15C下，整体预热150C的插销试板在试验焊缝焊完后冷却到室温的时间为3600s左右。将这种温度变化耦合到氢扩散计算程序中。预热对试板焊缝中心部位氢扩散的影响如图4所示。与不预热时的计算结果相比，在预热条件下，氢在焊接接头中扩散的速度明显加快，表现在焊缝金属中的氢浓度快速降低，同时焊接热影响区氢出现峰值浓度的时间缩短。在150C预热条件下，靠近热影响区的焊缝金属在1h后氢浓度从3.48ppm降低到2.0ppm以下，同时热影响区的氢浓度也在小达到峰值。0.5-%iI1…IIi」..

04080120ISO20024G260320360Timej/s图4150°C预热对焊接接头氢扩散的影响6.3焊接后热对氢扩散的影响焊接后热是指焊接结束后，将焊件立即加热到一定的温度范围内，并保温一段时间，其目的是加速焊接接头中氢的扩散逸出。焊后及时后热处理是防止焊接冷裂纹的有效措施之一。为了了解焊接后热过程中不均质焊接接头氢扩散过程，进行了250C保温10h后热条件下的氢扩散计算。试板从15C加热到250C的时间为0.5h，保温10h后，再经过0.5h冷却到室温15C。后热对焊接接头氢扩散的影响如图5所示。可见，在焊接后热初期，氢在焊接接头中的扩散同预热情况相似，焊缝金属氢浓度很快降低，而焊接热影响区氢很快达到峰值浓度；随着后热保温过程的进行，焊接接头各部位的氢浓度均有大幅度降低，同时使焊接热影响区氢的峰值浓度“滞留”时间缩短。显然，采用焊后后热处理对防止焊接氢致裂纹的产生是有利的，这一点与氢致裂纹评定试验的结果是一致的。图5250°C保温10h后热处理对焊接接头氢扩散的影响7.结论采用ABAQUS有限元分析软件可以进行非均质材料中氢扩散的分析。对于20MnNiM。钢焊接接头，氢的扩散过程是随着时间的延续，焊缝金属中的氢浓度逐渐降低，而热影响区及母材中的氢浓度经历一个峰值变化过程，一定时间以后热影响区中的氢浓度将超过焊缝和母材。初步计算结果表明，预热及后热对非均质焊接接头的扩散过程均有较大的影响，这方面的工作还有待于做进一步的分析和研究。参考文献：.王中辉.李冬雪焊接数值模拟技术的发展现状[期刊论文]-焊管2010(6).巩建鸣.蒋文春.唐建群.陈虎.涂善东16MnR钢焊接接头氢扩散三维有限元模拟[期刊论文]-机械工程学报2007(9).蒋文春.巩建鸣.唐建群.陈虎焊接残余应力下氢扩散的数值模拟[期刊论文]-焊接学报2006(11).牛靖.董俊明.李军.董卫鹏.何源.薛锦预热温度对30CrMnSiNi2A钢焊接冷裂纹敏感性的影响[期刊论文]-西安交通大学学报2005(11).何建萍短路过渡GMAW动态过程建模及系统动态过程的研究[学位论文]博士2005.黄钧自保护药芯焊丝水下焊接装置及工艺的研究[学位论文]硕士2005.刘风祥加氢反应器材质氢脆程度评价方法的研究[学位论文]硕