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91级钢多道GTA焊的数值模拟
M. Zubairuddina,lowast;, S.K. Albertb, M. Vasudevanb, S. Mahadevanb, V. Chaudharia, V.K. Suric
a Homi Bhabha National Institute, Institute for Plasma Research,Gandhinagar, 382428, India
b Mettalurgy and Material Group, Indira Gandhi Centre for Atomic Research, Kalpakkam, 603102, India
c Homi Bhabha National Institute, Mumbai, 400085, India
摘要
本文对6mm厚的91级钢板的多层多道钨极氩弧焊（GTA）进行了三种不同模型的热-机械耦合分析，包括二维模型、粗略网格划分的三维模型和精细网格划分的三维模型。通过实验手段，验证了分析预测得到的热循环、残余应力和变形结果的准确性。同时也仿真分析了各焊道之间预热的作用并通过实验得到证实。精细网格划分的三维模型仿真得到的结果与实验结果之间具有良好的关联性。考虑到相变的影响，利用大变形理论对以上模型进行变形分析，预测变形值与真实值非常接近。圆盘形热源和双椭球热源分别用于仿真预热和钨极氩弧焊焊接。实验和有限元分析结果均显示，预热到200℃能够显著降低91级钢在多层多道焊时的变形。
关键词：91级钢 多层多道钨极氩弧焊 预热 相变 残余应力 变形
1. 引言
在铁素体-马氏体钢焊接接头的焊接过程中，急剧的温度梯度以及焊缝区和热影响区（HAZ）中不均匀的加热-冷却过程和冷却过程中的相变导致了残余应力和变形的产生。焊接接头中的残余应力在焊接过程中就已产生，即使去掉外界载荷的情况下也会一直存在。残余应力对焊接结构是有害的，它不仅会导致结构在低于设计应力值时发生破坏，还会影响包括焊接结构使用寿命等很多重要性能指标。
在焊接结构中，变形会导致尺寸不精确和角误差，为此重新生产或矫正变形会产生额外的费用。随着计算机有限元仿真技术的发展，在实际焊接之前预测焊接接头中的残余应力和变形变得更加简单。对于变形分析，目前有一些文献可供参考。Seyyedian等人[1,2]通过仿真研究了焊接顺序和方向对304不锈钢对接焊角变形以及对残余应力的影响。结果表明焊接顺序和方向对角变形有着重要的影响。他们还同样研究了在焊接过程中变形对几何尺寸的影响，并利用实验结果验证了不同条件下的预测结果。Deo等人[3]通过解耦算法研究了由焊接诱发的屈服现象，整个分析过程分为两步，第一步进行热-机械分析确定残余应力，第二步通过特征值求得了临界屈服应力和屈服模式。Zain等人[4]在一系列测试用钢板上，利用ABAQUS软件研究了单道激光束熔化焊时钢板温度场和变形情况。T srikas[5]比较了SYSWELD软件仿真和实验时不锈钢的变形情况。Shirish等人[6]利用自定义的热源，通过SYSWELD软件讨论了随后的散热装置对6mm厚低碳钢板多道焊时减小变形的作用。Dean等人[7,8]利用有限元方法预测了焊接变形并与实验结果相比对，并考虑大变形理论，预测了薄板焊接中的残余应力与变形。Monfared等人[9]利用SYSWELD软件预测了CT3钢焊接时的角变形并与实验结果进行比较。Del等人[10]对两块不同的不锈钢样板TIG焊进行了热-机械分析，从而比较两者的变形和光亮度。Hashiemzadeh等人[11]分析了钢板对接焊的变形量，并与测量结果相比较，结果两者有较高的吻合度。Yupitar等人[12,13]对常用于船舶板架结构的9mm厚钢板对接和T接混合接头中的变形利用SYSWELD进行了仿真分析，并与测量结果相比较。
91级钢（9Cr-1Mo改性）是铁素体-马氏体钢，在焊接过程中会发生相变。相变对于焊接接头中的残余应力有着重要的影响。91级钢在高温下有较好的抗蠕变强度，同时热导率高，热膨胀系数小，在水和氯化物氛围中抗应力腐蚀开裂性能好，因而广泛应用于核工业、化石燃料发电站和石化产业的高温部件制造中。这种材料也同样应用于由印度Kalpakkam公司承建的印度原型快中子增殖反应堆（PFBR）的蒸汽发生器中。即将进行的ITER融合反应TBM（实验包层模块）的实际制造前，91级钢就被用于预想轨迹实物模型的代用材料。用于这些制造试验的板厚度为 1mm至 15mm[14]。91级钢采用正火和回火状态，在室温下为回火马氏体结构。
Yaghi等人[15-17] 对P91管道的多道电弧焊部分使用ABAQUS软件进行了残余应力分析。他们采用对称2D网格模型进行模拟，并计算出了沿焊缝和HAZ区域的残余应力分布。Kim等人[18]使用ABAQUS软件对改性9Cr-1Mo钢焊接接头进行二维网格热-机械分析，并使用中子衍射技术对残余应力进行了实验测量。研究的电弧焊焊接接头类型包括对接接头和角接头两种。作者使用的材料属性数据中没有考虑相变。Deng等人[19]使用ABAQUS软件对改性9Cr-1Mo 钢管多道焊的二维对接模型进行焊接残余应力的有限元分析（FEA）。作者使用对称网格模型时考虑了焊接过程中奥氏体到马氏体转变中的体积变化和固态相变（SSPT）。结果得出，焊接过程中奥氏体到马氏体的固态相变时的体积和屈服极限的变化对残余应力有显着影响。Kumar等人[20]研究了9mm厚91级钢钢板激光焊接时纵向、横向和法向的残余应力分布。结果表明，在熔合区和基体金属中，法向和纵向为拉伸残余应力，而横向为压缩残余应力。作者将SYSWELD软件的预测结果与测量结果进行了比较。Zubairuddin等人[21-22]利用热-机械分析研究了3 mm厚91级钢板的自熔GTA焊接技术。作者将不同阶段的残余应力和变形的预测结果与测量值进行了比较，得到了良好的吻合度。作者还研究了预热和相变对3 mm厚91钢自熔GTA焊接过程中残余应力的影响。
基于文献调查可以发现，对于91级钢6mm 厚钢板的多道GTA焊接，考虑到相变效应的3D热-机械分析的公开文献是有限的。关于91级钢，大多数已发表文献仅限于高厚度管材和板材的二维模型分析。在本项目中，通过数值分析，采用2D和3D网格模型研究了在6 mm厚的多道焊缝中的残余应力和变形。同时还研究了预热对多道焊接过程中的变形的影响。为了研究相变对变形分析的影响，在进行热-机械分析时，材料数据集中分别考虑和没有考虑相变效应。采用XRD技术测量焊接接头中的残余应力。通过实验数据验证了每个模型中的预测变形量。
2. 实验过程
尺寸为的91级钢使用GTA焊接。使用直径1.4 mm的匹配填充焊手工焊接70°V形坡口的板。焊接过程中的热循环使用K型热电偶测量，该热电偶放置在距焊接板顶部焊接中心线10mm处。在焊接前后使用垂直电子高度计（最少计数0.001）在栅格标记位置（在板的顶部表面上）测量焊接接头的变形。将读数差异绘制为焊接引起的变形。焊缝横截面如图1 所示。表1中给出了每道焊缝的热输入。
图1 焊缝轮廓
表1 焊道的热输入
|
焊道序号 |
电流（I） |
电压（V） |
平均焊接速度（s）mm / sec |
|---|---|---|---|
|
1 |
105 |
14.5 |
1 |
|
2 |
120 |
15 |
1.5 |
|
3 |
140 |
15.8 |
1.5 |
|
4 |
140 |
16 |
1.5 |
在预热时，使用氧-乙炔火焰将焊缝区域（包括熔合区和焊接中心线两侧20mm宽的相邻区域）加热至200 ℃，并将其保持为剩余焊道的层间温度。
焊接接头中的残余应力通过具有铬反射型 Kalpha;辐射的背反射型测角仪的XRD系统（型号：Rigaku MSF 2 M）测定。X射线管工作在30 kV，目标电流为8mA [23-25] 。在该技术中，仅通过测量一组平行平面的衍射峰位置的偏移来计算材料表层的应变，然后根据一系列假设将这些应变转化为应力。曲线的斜率（d vs. ）是通过实验测量的，其中#39;#39;是试样法线和应变测量方向之间的角度，用于估算由公式（1）给出的应力。
其中是无应力晶格间距，hkl（211）是测量应力的平面，E是杨氏模量，是泊松比。
不同角度处的峰值偏移定义为样本法线和衍射矢量之间的角度（0°到45°，步长为9°），它与（211）平面的d间距的变化有关，用于估算残余应力。扫描时步长为0.2°，停留时间为3 秒，以获得良好的测量统计数据。扫描在148°至164°的范围内进行。在表面上的所有位置进行两组测量，并且测量值是基于峰值位置的变化与角度的变化组合得到的平均应力值。
3. 数值分析过程
91级钢多道GTA焊接的热-机械分析按顺序耦合的方式进行。采用双椭球热源模型进行GTA焊接分析，高斯通量分布的圆盘模型用于预热分析。使用SYSWELD V. 2012软件在配置为Windows 64GB RAM Xeon E5-2687W 8 3.1 GHZ双核处理器的机器上进行焊接接头的热-机械分析。SYSWELD是一种用于模拟热处理，焊接和相应焊接装配过程的计算工具，由ESI集团开发，基于FORTAN代码设计。
3.1 网格划分
为了研究网格划分对多道焊变形分析的影响，采用了粗略网格划分和精细网格划分的两种三维模型。研究还包括使用2D模型进行多道焊的热-机械分析，如图2 所示。使用visual mesh（设计和网格划分工具）对2D和3D模型进行网格划分，如图2-3 所示，并保存为ASC格式。
图2 用于多道焊接的2D模型
SYSWELD是一种焊接和热处理计算软件，通过选择和校准合适的热源进行热-机械分析来模拟不同的焊接过程。该软件可以研究各种材料行为，例如相变，相变时的潜热效应，化学元素析出和沉淀，各向同性，运动学，混合粘塑性和相位相关的应变硬化等硬化行为[26]。
一共使用了三种不同的单元，包括一维线性单元，二维和三维四边形单元。一维线性单元用于焊接轨迹和参考线。焊接热源在焊接轨迹上沿预定路径移动。参考线平行于焊接轨迹线并具有相同数量的单元，如图4所示。选定的轨迹沿着整个基板的中心线，通过对焊缝线的网格尺寸控制来确保这些节点与表面和体单元上的节点合并。
在热循环中，热辐射损失在熔池内和熔池周围起主要作用，而对流损失在远离熔池的位置起主要作用。为了得到对流和辐射的边界条件，在模型的所有外部区域上构建表面单元（二维网格）。如前所述，确定了表面网格的网格密度，使表面单元节点与位于其下方的体单元的节点重合。考虑到具有温度依赖性的均匀热损失，采用集肤效应，取恒定发射系数、对流热损失。
三维单元用于划分焊缝和基板。为了减少计算时间，使用从焊接中心线到焊接板端部的不同网格尺寸单元。预计在熔合区（FZ）和HAZ内部和周围会出现高温和磁通梯度，因此在距焊接中心线30mm内使用相对精细的网格划分，如图3所示。在焊接方向上，精细网格模型中单元尺寸为定值0.35mm， 在粗略网格模型中为1mm。类似地，在预期的HAZ尺寸两侧30mm内；类似使用 1mm和 3mm的单元尺寸用于精细网格模型和粗略网格模型。远离HAZ的单元尺寸随着与焊接中心线的距离增加而增加，如图2 -3所示。三维粗网格模型中使用的节点总数为70302，单元总数为79686。类似的，三维精细网格模型中，节点和元素的总数分别为100307和119836。
图3 网格比较
3.2 材料属性
91级钢的材料数据并不包含在默认的素材库中，所以使用材料数据库工具创建91级钢的材料数据。91级钢在不同相下的所有物理和机械性能均来自于文献，如图5所示。填充焊丝使用相同的材料数据库。基于Koistinen和Marburger模型计算冶金马氏体相变的影响，系数为0.0268[27]。马氏体初始转变温度（M s）和终了转变温度（M f）温度为375℃
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资料编号：[1495]
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