CN112214863A - 一种奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取方法 - Google Patents
一种奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取方法，属于金属材料焊接性研究技术领域。包括：(1)进行平板自熔焊获得截面焊缝截面形貌和尺寸；(2)点焊热电偶，进行平板自熔焊，测试点焊位置的焊接热循环曲线；(3)建立平板自熔焊三维有限元模型；(4)拟合自熔焊焊接热源模型，通过实测焊缝截面宏观形貌进行校核；(5)模拟平板自熔焊过程，获得焊接温度场，与实测焊接热循环曲线进行对比，如吻合较好，则确定焊接温度场；(6)结合焊缝截面组织分布特征，确定焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线。本发明将少量焊接试验和计算机数值模拟技术相结合，实现对奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取。
Description
技术领域
本发明属于金属材料焊接性研究技术领域，具体涉及一种奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取方法。
背景技术
焊接过程是一个特殊的局部加热和冷却过程，热影响区中的不同位置经历了不同的热循环过程，导致热影响区具有不均匀的显微组织和力学性能。作为热影响区中典型区域，粗晶区在焊接过程中处于过热状态，奥氏体晶粒因加热而严重长大，冷却后会形成粗大的组织，降低材料韧性，故而粗晶区是热影响区中力学性能薄弱区，是焊接接头失效的主要区域。因此，准确地测量焊接热影响区粗晶区的热循环曲线，是调整和控制焊接工艺参数以及研究金属焊接组织变化对性能影响的前提，也是进一步深入探讨相关理论的基础。
奥氏体不锈钢广泛地应用在核电、火电、轨道交通等领域关键部件的制造中，而这些大型结构件多由焊接方法制造成型。在焊接过程中，焊接加热和冷却对大型结构件的焊接热影响区组织和性能的影响很大，因此，热影响区(特别是粗晶区)的热循环曲线测量越来越受到重视。但是，由于焊接热影响区宽度较窄(一般仅有2～3mm)，因此，难以直接精确测量热影响区的焊接热循环曲线。实际工程中，技术人员常用经验模型来评估热循环曲线参数，较为粗糙且不科学，限制了焊接工艺的改进和材料的选型。
近年来，随着计算机技术及有限元数值模拟技术的飞速发展，将试验与理论数值模拟技术相结合，为焊接热循环曲线的精确确定提供了强有力的手段。
发明内容
针对奥氏体不锈钢，为了精确地获得焊接热影响区粗晶区热循环曲线，解决热影响区焊接热循环参数难以准确测量的问题，本发明提供了一种奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取方法。采用建立在少量工艺试验基础上的计算机数值模拟技术，实现对奥氏体不锈钢焊接过程中热影响区焊接热循环的定量分析与模拟，不仅可以评估材料焊接性、改进焊接工艺、优化焊接部件结构设计，而且能极大减少焊接工艺试验工作量和降低新产品开发成本，对生产高可靠性焊接结构件具有极为重要的指导意义。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取方法，包括如下步骤：
(1)加工两块具有相同尺寸的不锈钢钢板A和不锈钢钢板B，同时，采用工程用焊接工艺在不锈钢钢板A上进行自熔焊，截取中部焊缝截面，腐蚀后确定焊缝宏观形貌及其宽度、深度；
(2)根据步骤(1)确定的不锈钢钢板A的焊缝宽度，确定不锈钢钢板B表面热电偶点焊位置，采用点焊机将已校对的K型热电偶点焊在已确定的点焊位置，然后采用与步骤(1)中相同的焊接工艺，对点焊了热电偶的不锈钢钢板B进行自熔焊，测试点焊位置的焊接热循环曲线；
(3)建立平板自熔焊焊接三维有限元网格模型：在三维造型软件中建立几何模型，利用网格划分软件或者有限元模拟软件对工件(不锈钢钢板A或B)进行网格划分，优先划分焊缝及其周围区域；
(4)选择合适的自熔焊焊接热源模型，结合步骤(1)实测焊缝宽度和深度，初步设置模型中的相关参数；模拟稳态自熔焊焊接过程，获得模拟的焊缝截面形貌，并与步骤(1)中实际的焊缝截面形貌对比，如吻合不好，则修正热源模型中参数，直至吻合较好；
(5)模拟平板自熔焊过程，获得模拟焊接温度场，并与步骤(2)实测焊接热循环曲线进行对比，如吻合不好，则修正热源模型中参数，直至吻合较好，则完成焊接过程模拟；
(6)结合步骤(1)焊接接头截面显微组织分布特征，确定焊接热影响区粗晶区范围；利用步骤(5)焊接过程模拟获得的温度场，提取焊接热影响区粗晶区热循环曲线；至此，完成焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取。
步骤(1)中，所述工程用焊接工艺为TIG焊接方法，焊接电流120～250A，电压为10～20V，焊接速度为1.0～3.0mm/s。
步骤(2)中，所述热电偶点焊位置在焊缝外侧且距离焊缝边缘0.5～15mm范围内。
步骤(4)中，初步设置模型中的相关参数包括焊缝宽度和深度，其中：设置的初始焊缝宽度和深度为步骤(1)中实测焊缝宽度和深度。
步骤(5)模拟平板自熔焊过程中，采用步骤(4)获得的自熔焊焊接热源模型进行(以步骤(4)中模拟焊缝截面形貌与实际焊缝截面形貌吻合较好时对应的自熔焊焊接热源模型中的参数作为初始参数进行)。
本发明的有益效果：本发明提供的一种奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取方法，由于焊接热影响区尺寸小(2～3mm)，难以通过热电偶等工具实测热影响区的热循环曲线。同时，经验模型受焊接工艺影响较大。通过本专利介绍的方法，可以准确地获得奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区的热循环曲线，为评价不锈钢的焊接性、改善焊接工艺提供直接的技术指导。
附图说明
图1为本发明实施例中316H奥氏体不锈钢TIG自熔焊焊缝截面形貌。
图2为本发明实施例中测量的316H奥氏体不锈钢TIG自熔焊焊接热循环曲线；其中：(a)点焊位置；(b)TIG自熔焊焊接热循环曲线。
图3为本发明实施例中建立的平板自熔焊焊接三维有限元网格模型。
图4为本发明实施例中316H奥氏体不锈钢TIG自熔焊焊缝截面形貌模拟与实测对比。
图5为本发明实施例中316H奥氏体不锈钢TIG自熔焊热循环曲线模拟与实测的对比。
图6为本发明实施例中316H奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的确定。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详述本发明。
实施例1：
本发明提供一种奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取方法，本实施例以316H奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取为例进行说明，验证本发明的有益效果。
自熔焊接实验使用的母材为316H奥氏体不锈钢，试板尺寸为150mm×65mm×8mm。焊前，采用丙酮和酒精对316H奥氏体不锈钢钢板表面进行清洗。使用Panasonic TA1600TIG焊接机器人实施焊接，焊接工艺参数为电流150A，电压为13V，焊接速度为1.5mm/s。焊后，采用线切割切取焊缝中部，经研磨抛光后，采用含4％硝酸酒精腐蚀，利用体式显微镜获得焊缝截面形貌。
第一步：加工两块具有相同尺寸的不锈钢钢板，同时，采用上述焊接工艺参数在一块钢板上进行自熔焊，截取中部焊缝截面，腐蚀后，焊缝宏观形貌如图1所示，焊缝宽度约为8.0mm，焊缝深度约为1.8mm。
第二步：根据焊缝宽度，确定另一块钢板表面热电偶点焊位置(图2(a))，采用点焊机将已校对的K型热电偶点焊在已确定的点焊位置，采用与第一步中相同的焊接工艺，对点焊了热电偶的钢板进行自熔焊，测试点焊位置的焊接热循环曲线，测试结果如图2(b)所示。
第三步：建立平板自熔焊焊接三维有限元网格模型：在三维造型软件中建立几何模型，利用网格划分软件或者有限元模拟软件对工件进行网格划分，优先划分焊缝及其周围区域。有限元网格模型见图3，单元数为59024，节点数为53530。
第四步：采用双椭球体热源模型进行焊接热源模型的拟合：
qV1＝qf+qr (3)；
公式(1)～(3)中：QV为双椭球体热源占有的能量，af、ar、b、c为双椭球体热源形状参数；qf和qr分别为前、后半椭球体内的热流密度分布；qV为双椭球体热源热流密度分布；
模拟校核的双椭球热源模型参数为：
第五步：设置工件地面与工作台之间存在传导换热，其他表面的热边界条件为热对流和热辐射。采用Sysweld软件求解焊接热过程，获得瞬态焊接温度场分布。将模拟获得的焊接热循环曲线和焊缝截面形貌与实测结果进行对比，对比结果分别如图4和图5。通过比较可以看出，利用已建立的热源模型所模拟得到的焊缝截面形貌和焊接温度场与测试结果吻合较好。
第六步：选取温度介于1200～1320℃的区域为焊接热影响区粗晶区，从上述模拟获得的温度场中，提取区域中的所有节点上的热循环曲线，然后做平均化处理，得到的曲线作为焊接热影响区粗晶区的特征热循环曲线，如图6。
Claims (5)
1.一种奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)加工两块具有相同尺寸的不锈钢钢板A和不锈钢钢板B，同时，采用工程用焊接工艺在不锈钢钢板A上进行自熔焊，截取中部焊缝截面，腐蚀后确定焊缝宏观形貌及其宽度、深度；
(2)根据步骤(1)确定的不锈钢钢板A的焊缝宽度，确定不锈钢钢板B表面热电偶点焊位置，采用点焊机将已校对的K型热电偶点焊在已确定的点焊位置，然后采用与步骤(1)中相同的焊接工艺，对点焊了热电偶的不锈钢钢板B进行自熔焊，测试点焊位置的焊接热循环曲线；
(3)建立平板自熔焊焊接三维有限元网格模型：在三维造型软件中建立几何模型，利用网格划分软件或者有限元模拟软件对工件进行网格划分；
(4)选择合适的自熔焊焊接热源模型，结合步骤(1)实测焊缝宽度和深度，初步设置模型中的相关参数；模拟稳态自熔焊焊接过程，获得模拟的焊缝截面形貌，并与步骤(1)中实际的焊缝截面形貌对比，如吻合不好，则修正热源模型中参数，直至吻合较好；
(5)模拟平板自熔焊过程，获得模拟焊接温度场，并与步骤(2)实测焊接热循环曲线进行对比，如吻合不好，则修正热源模型中参数，直至吻合较好，则完成焊接过程模拟；
(6)结合步骤(1)焊接接头截面显微组织分布特征，确定焊接热影响区粗晶区范围；利用步骤(5)焊接过程模拟获得的温度场，提取焊接热影响区粗晶区热循环曲线；至此，完成焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取。
2.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取方法，其特征在于：步骤(1)中，所述工程用焊接工艺为TIG焊接方法，焊接电流120～250A，电压为10～20V，焊接速度为1.0～3.0mm/s。
3.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取方法，其特征在于：步骤(2)中，所述热电偶点焊位置在焊缝外侧且距离焊缝边缘0.5～15mm范围内。
4.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取方法，其特征在于：步骤(4)中，初步设置模型中的相关参数包括焊缝宽度和深度，其中：设置的初始焊缝宽度和深度为步骤(1)中实测焊缝宽度和深度。
5.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区特征热循环曲线的获取方法，其特征在于：步骤(5)模拟平板自熔焊过程中，采用步骤(4)获得的自熔焊焊接热源模型进行。
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