7.2.4 焊接熱影響區(qū)相變模擬具體過程

1.建立幾何模型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)工件的幾何尺寸建立三維可變形實(shí)體幾何模型。因?yàn)閷ΨQ關(guān)系只需建立 1/2 的工件模型，尺寸為200mmx75mmx10mm，建立的實(shí)體幾何模型如圖 7-3 所示。

 

 

圖7-3 實(shí)體幾何模型

 

2.設(shè)定材料的熱物理性能參數(shù)

材料的熱物理性能參數(shù)主要包括密度、比熱容c、導(dǎo)熱系數(shù)入、熱膨脹系數(shù)a等45 鋼的熱物理性能參數(shù)見表 7-1。在焊接瞬態(tài)溫度場分析過程中，材料的熱物理性能參數(shù)隨溫度呈非線性變化，其他溫度下的熱物理性能參數(shù)值通過線性插值得到。

 

表 7-1 45 鋼的熱物理性能參數(shù)

 

 

另外，焊接熔池熔化時(shí)，由固態(tài)變成液態(tài)需要吸收熱量;焊接熔池凝固時(shí)，由液態(tài)變成固態(tài)需要釋放熱量，故需要考慮相變潛熱對焊接溫度場的影響。假定熔化潛熱等于凝固潛熱，則可取 45 鋼的相變潛熱均為 277kJkg，并取其固相線溫度為1753K，液相線溫度為1793K。

 

3.裝配部件

在Assembly模塊進(jìn)行部件裝配，本實(shí)例的裝配體只有一個部件，選用Dependent(mesh onpart)(獨(dú)立實(shí)體)，焊接起始點(diǎn)設(shè)在工件上表面起始點(diǎn)，焊接方向沿z軸。如圖 7-4所示為工件裝配示意圖。

 

 

圖7-4 工件裝配示意圖

 

4.設(shè)定分析步

在 Step 模塊中創(chuàng)建 Heat(加熱)和Cool(冷卻)兩個分析步，自動選擇時(shí)間步長，選用 Heattransfer(熱傳導(dǎo))分析步進(jìn)行求解計(jì)算。計(jì)算目的主要是得到焊接溫度場分布和相應(yīng)的相含量分布，因此輸出數(shù)據(jù)設(shè)定為NT(節(jié)點(diǎn)溫度)和SDV(狀態(tài)變量)，在程序中設(shè)定5個狀態(tài)變量，SDV1~SDV5分別表示奧氏體、鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體的體積分?jǐn)?shù)。

 

5.設(shè)定邊界條件

本實(shí)例因?yàn)楹附硬僮髟谑覂?nèi)進(jìn)行，工件焊前未預(yù)熱，所以工件溫度與外界環(huán)境溫度相同，為 293K。在焊接過程中，工件與外界環(huán)境同時(shí)存在對流換熱和輻射換熱。

 

6.施加載荷

在 Load 模塊中，選擇 Body heat flux(體熱源)，體熱源分布選擇 User-defined(自定義)。在編寫子程序時(shí)，選用雙橢球形功率密度分布熱源對工件進(jìn)行載荷施加，此部分可參考第4章。

 

7.劃分網(wǎng)格

Abagus 熱分析采用三維8節(jié)點(diǎn)六面體連續(xù)單元(DC3D8)，由于在焊接過程中焊縫及近縫區(qū)溫度梯度大，在焊縫及其附近區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域網(wǎng)格粗化，焊縫區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.2mm，其他區(qū)域網(wǎng)格尺寸從0.2mm到1mm進(jìn)行均勻過渡，工件的有限元網(wǎng)格劃分如圖 7-5 所示。

 

 

圖 7-5工件的有限元網(wǎng)格劃分

 

8.焊接溫度場的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果

采用 DFLUX 子程序建立焊接熱源模型,計(jì)算得到的焊接溫度場云圖如圖 7-6所示，圖7-6(a)和(b)分別為加熱階段(1-20s)和冷卻階段(=120s)的焊接溫度場云圖。由圖7-6(a)可以看出，在雙球形功率密度體熱源作用下，焊接溫度場前端與后端之間存在一定的溫度梯度，前端溫度梯度大于后端;由圖7-6(b)可以看出，散熱過程中，工件中心部位與邊緣部位也存在一定的溫差，后焊部位較先焊部位溫度高。

 

 

圖7-6 焊接溫度場云圖

 

為了兼顧計(jì)算速度與計(jì)算精度，將有限元模型中焊縫及近焊縫區(qū)域的網(wǎng)格大小細(xì)分為0.2mm(200um)。在焊接熱影響區(qū)中，依次選取距熔合線長度為500um、400um、300um、200um和100um的5個不同位置的節(jié)點(diǎn)，并將其編號為1~N5(圖 7-7)，這5個節(jié)點(diǎn)的焊接熱循環(huán)曲線如圖7-8所示。

 

 

圖7-7 焊接熱影響區(qū)內(nèi)有限元單元節(jié)點(diǎn)選取

 

 

圖7-8焊接熱影響區(qū)內(nèi)5個有限元節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

 

由圖 7-8 可以看出，N1~N5 所經(jīng)歷的峰值溫度均高于45 鋼 4.1溫度線，而低于熔點(diǎn)(1623K)，因此均屬于焊接熱影響區(qū)，可選取感興趣的位置對其相變過程進(jìn)行分析。

 

9.焊接熱影響區(qū)固態(tài)相變模擬結(jié)果

通過焊接溫度場和焊接熱影響區(qū)組織相變的耦合，實(shí)現(xiàn)焊接熱影響區(qū)組織預(yù)測，由 UMATHT 子程序計(jì)算輸出45 鋼在焊接過程中任意瞬態(tài)各組織的體積分?jǐn)?shù)分布。如圖 7-9所示為 45 鋼 HAZ內(nèi)任意一點(diǎn)瞬態(tài)顯微組織的體積分?jǐn)?shù)變化曲線

 

 

圖 7-9 45 鋼 HAZ 內(nèi)任意一點(diǎn)瞬態(tài)顯微組織的體積分?jǐn)?shù)變化曲線A一奧氏體;F一鐵素體;P一珠光體;M一馬氏體

 

由圖 7-9 可以看出，45 鋼室溫組織分別為 44%鐵素體+56%珠光體，當(dāng)焊接加熱階段溫度T在室溫至 Ae之間時(shí)，鐵素體和珠光體體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化曲線保持為一段平臺;當(dāng) A。I<T<A。,時(shí)，鐵素體和珠光體開始發(fā)生轉(zhuǎn)變并形成奧氏體，表現(xiàn)為鐵素體和珠光體體積分?jǐn)?shù)曲線急劇下降，奧氏體體積分?jǐn)?shù)曲線逐漸上升;當(dāng)T>4。時(shí)，組織為100%奧氏體，鐵素體和珠光體的體積分?jǐn)?shù)減小到0。此后，隨溫度T繼續(xù)上升至峰值溫度 Tpeak，再由峰值溫度Tpek降至 e3，材料組織不再發(fā)生變化，并在很短的時(shí)間內(nèi)，奧氏體體積分?jǐn)?shù)曲線保持為平臺。

 

在焊接冷卻階段，當(dāng)溫度T降至鐵素體相變臨界溫度4:時(shí)，奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，直至溫度T降到珠光體相變臨界溫度時(shí)，鐵素體相變終止，剩余奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，當(dāng)溫度降到貝氏體相變臨界溫度 B時(shí)，剩余奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，當(dāng)溫度T降到馬氏體相變臨界溫度M時(shí)，貝氏體轉(zhuǎn)變終止。此后當(dāng)溫度 TM時(shí)，剩余奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。從圖7-9中可以清楚地看出，冷卻階段相變的4個轉(zhuǎn)變過程，奧氏體體積分?jǐn)?shù)曲線多次不等值下降，相應(yīng)子相一鐵素體、珠光體及馬氏體的體積分?jǐn)?shù)曲線有不同程度的上升。

由圖 7-9還可看出，45 鋼的最終相變產(chǎn)物為0.6%鐵素體+79%珠光體+20.4%馬氏體。對于45鋼，鐵素體相變區(qū)間較窄，珠光體相變區(qū)間和馬氏體相變區(qū)間較寬，故過冷奧氏體向鐵素體組織轉(zhuǎn)變量較小而向珠光體和馬氏體組織轉(zhuǎn)變量較大，材料具有一定的淬硬性，焊接前進(jìn)行預(yù)熱是必要的。

 

（內(nèi)容、圖片來源：《焊接過程數(shù)值模擬》一書，侵刪）

 

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