SYSWELD超高强钢厚大构件多热源焊接过程温度场和应力场模拟(2)
1.2 超高强钢的焊接研究现状
超高强钢成分特点由于与普通低碳钢相比，加入了较多的合金元素，化学成分较为复杂，各种力学性能都发生了较大的变化，焊接性上也发生了很大变化。超高强钢焊接性较差，主要体现在以下方面：（1）随着强度级别的提高、板厚的增大，淬硬性大，具有一定的冷裂纹倾向；（2）超高强钢在焊接条件下，热影响区会形成局部脆化区，因而会降低裂纹起裂所需的能量；（3）高强钢的部分高温度在高温下可以释放，这样就会形成硬度低于母材金属的软化区[2]。与此同时，焊接是一个多物理场耦合的过程，焊件被迅速加热到熔点，然后快速不均匀的冷却使焊件产生焊接残余应力和变形。对超高强钢厚板焊接时，从焊接力学的角度分析，平面应力状态转变为平面应变状态，在拉伸方向上产生较大的拘束应力和不可恢复的变形，可能产生材料层状撕裂和热影响区的脆化。对厚板的焊接大多采用多层多道焊接技术，可能造成熔敷金属扩散氢含量的升高，从而造成焊缝金属冷裂纹倾向增加。另外，在多层多道焊接热循环作用下，热影响区极有可能产生粗晶脆化和组织脆化[3]。因此超高强钢厚大件的焊接具有一定的难度，选择合适的焊接方法和焊接工艺参数，可以获得优质美观的焊接接头，提高焊接质量和焊接效率。因此，多层多道焊需要焊前预热，焊接过程中严格控制热输入和层间温度，保持良好的焊接顺序，选用含氢量较少的焊丝，保持焊件的干净，焊后恒温缓慢冷却并及时进行消氢及消应力热处理，才能得到力学性能较好的焊接接头，减少焊接残余应力[4]。选择焊接材料方面，首先应保证焊缝金属的强度、塑性、韧性和母材相差不大，达到国家技术标准，是其具有良好的抗裂性和韧性，优化焊接工艺提高焊接生产效率。对于大厚板焊接，对焊缝中扩散氢的含量提出较高的要求，应选用低氢焊接材料，减小冷裂敏感性，从而有利于减小层状撕裂敏感性。
根据现已有的经验和研究进展，对于超高强钢焊接方法的选取，大都采用焊接热输入密度集中、效率高、熔池保护及脱氢效果好、焊接变形小的CO2焊或者富氩混合气体保护焊[5]。目前我国大型工厂对超高强钢厚板焊接结构仍然会采用手工电弧焊，半自动焊和埋弧焊等，虽然这类焊接应用广泛，人们也颇具实践经验，但是工艺低级，人为影响因素较多，需要劳动力多，生产效率很低，焊后会产生很多明显的焊接缺陷。各种焊接方法有各自的优点缺点和使用情况，但都应该基本保证焊缝成型美观，焊接接头无裂纹，质量合格，焊接过程高效经济。对于超高强钢厚板焊接，除了气体保护焊、手工电弧焊和埋弧自动焊以外其他的先进焊接方法应用还很少。对于厚板，焊接方法更为复杂，一般采用多层多道焊保证焊接。一般来说，高强钢的焊接热输入量过大时，焊缝晶粒变粗，热影响区增宽，焊缝强度和热影响区韧性降低；热输入量过小时，会使焊接接头冷却速度过快，热影响区产生淬硬组织，导致冷裂纹。因此对于高强钢厚板焊接输入适当小的线能量不仅可以有效防止熔敷金属和热影响区出现脆化现象，而且也有利于降低层状撕裂倾向，但必须以不产生冷裂为前提[6]。在汽车、船舶、石油化工、机械工程等行业，多层多道焊被广泛使用。
1.3 焊接温度场的数值模拟概述
1.3.1 研究焊接数值模拟的意义
焊接数值模拟，是以实验为基础，采用一组控制方程来描述焊接过程的某一个方面，采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量[7]。计算机数值模拟技术的发展使以前凭借经验定性描述焊接过程逐步发展成为依靠科学定量分析焊接过程，使得以往人们无法描述的焊接过程中熔池的变化也变得可以观察和控制，从而使焊接技术的发展产生了质的飞跃。计算机数值模拟的发展大量减少了用于试验研究的人力、财力，其精确的模拟结果帮助我们了解复杂焊接物理现象和过程，焊接本质其实是多物理场强耦合的复杂过程，有特定的规律可循。国内外众多学者对数值模拟的研究达到了一定的深度和广度，累积了一定的经验，因此通过数值模拟还可以用来寻求一些特殊材料焊接的新思路和新办法。随着计算机软件发展，利用数值模拟，在焊接前预测焊接工艺是否可行，选取合适的工艺参数减少实验成本，并配合焊接产品的开发与研制，是焊接从经验走向创造学科的重要标志。计算机技术数字化的出现使得设计人员使用软件技术可以快速完成焊接过程模型的建立，了解温度场和应力场的分布，以此改进产品在实际生产过程中不协调的因素，大幅度提高焊接产品的质量，了解焊接工艺对焊接结果的影响，从而选择最合适的焊接手段和优化焊接工艺。焊接数值模拟技术在工业上的应用广泛，决定了它在工业方面巨大的发展潜力，总而言之，焊接数值模拟具有重要的理论意义和实际应用价值，利用它可以解决各种复杂工程问题，。随着技术的发展，数值模拟技术也在不断的提高， 目前，焊接数值模拟技术几乎遍及各个焊接领域，如：焊接热传导分析、焊接熔池流体力学、电弧物理、焊接冶金和焊接接头组织性能的预测、焊接应力与变形等诸多领域[8]。
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