CN111222280B - 一种高合金超高强度钢焊接升温过程中相份数的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高合金超高强度钢焊接升温过程中相份数的计算方法，属于高合金超高强度钢焊接技术领域。该方法包括：(1)获得不同加热速率下的热膨胀曲线；(2)利用杠杆法求解奥氏体转变的相份数曲线；(3)基于FORTRAN语言开发组织计算模型，通过优化模型参数，使计算得到的组织转变曲线与实验曲线吻合；(4)基于有限元软件计算焊接升温过程相份数的大小及分布。本发明可以获取高合金超高强度钢在不同焊接工艺参数下焊接升温过程中奥氏体相份数的大小及分布，为准确预测冷却过程马氏体和残余奥氏体的含量提供了技术支持。

Description

一种高合金超高强度钢焊接升温过程中相份数的计算方法
技术领域
本发明涉及高合金超高强度钢焊接技术领域，具体涉及一种高合金超高强度钢焊接升温过程中相份数的计算方法。
背景技术
高合金超高强度钢以其优异的塑韧性、良好的抗应力腐蚀性能及焊接性能，被广泛应用在关键承力构件的制造中。高合金超高强度钢的屈服强度σ0.2≥1350MPa，合金元素含量大于10％，其主要应用钢种为马氏体时效钢和低碳、高Co-Ni二次硬化钢，其组织主要由马氏体和残余奥氏体构成。在经过焊接及热处理过程后，使超高强度钢产生马氏体相变和二次硬化作用，以满足产品的强度和设计要求，但在焊接及热处理过程后，马氏体相变产生较大的残余应力往往使结构件变形严重。在实际生产过程中，结构件形状复杂，构件变形对结构件的生产制造有较大影响。采用数值模拟的方式，可以节省大量的人力物力，减少实验周期，为实际生产提供技术指导。
准确地预测结构材料在不同的焊接热循环作用下的组织含量演变规律，对于分析组织转变对应力变形的影响尤为重要，而只有在焊接升温过程中生成的奥氏体才会发生马氏体相变。因此，在高合金超高强度钢的焊接升温过程中，准确预测生成的奥氏体含量的大小及分布具有重要的意义。
针对升温过程组织转变预测，主要手段分析认为AC1、AC3为定值，而实际中升温速率(尤其高速率)对AC1、AC3的变化影响较大。因此，现有高合金超高强度钢焊接升温过程中没有考虑升温速率对AC1、AC3影响，从而影响预测结果的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高合金超高强度钢焊接升温过程中相份数的计算方法，该方法考虑了升温速率对AC1、AC3的影响，为准确地预测冷却过程中马氏体和残余奥氏体的含量提供了技术支持。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种高合金超高强度钢焊接升温过程中相份数的计算方法，包括以下步骤：
(1)获得不同加热速率下的热膨胀曲线；
(2)根据步骤(1)所得热膨胀曲线，利用杠杆法求解所得奥氏体转变的相份数曲线，称为实验曲线Ⅰ；
(3)根据组织计算模型，计算不同升温速率下奥氏体转变的相份数曲线，通过调整组织计算模型中的参数，使计算出的奥氏体转变的相份数曲线与步骤(1)所得实验曲线相吻合时，则进行步骤(4)；与实验曲线吻合时的计算出的奥氏体转变的相份数曲线称为计算曲线；
(4)基于有限元软件计算焊接升温过程中相份数的大小及分布；
建立与实际工况相同的焊接有限元模型，设置热源参数及热边界条件，并利用焊接温度场控制方程及步骤(3)中的组织计算模型求解，从而获得焊接温度场和升温过程相份数的大小及分布。
上述步骤(1)的具体过程为：根据实验需要选定不同加热速率，并利用热膨胀仪记录样品在不同加热速率下的热膨胀曲线(横坐标为温度，纵坐标为样品尺寸变化(即膨胀量))。由于相变引起的体积改变破坏了膨胀量与温度之间的线性关系，所以利用切线法标定不同升温速率下的AC1、AC3点，绘制CHT曲线。
上述步骤(2)中，求解奥氏体转变的相份数曲线的过程为：在热膨胀曲线中，发生相变前的直线段a的末端点(相变点)为A，绘制该直线段a的延长线，相变完全之后的直线段e的前端点(相变点)为E，绘制该直线段e的延长线；由于相变的发生，热膨胀曲线从A到E的中间段的斜率是变化的，温度T时的膨胀量为C，过C点作横坐标的垂线，与直线段a的延长线和直线段e的延长线分别相交于B点和D点；按照杠杆法，根据公式(1)计算在温度T时新相的份数W；并绘制以温度为横坐标、新相份数W为纵坐标的奥氏体转变的相份数曲线；新相是指升温过程中新产生的奥氏体相；
上述步骤(3)中，所述组织计算模型如公式(2)所示；
公式(2)中：P为相份数的计算值，t为时间，为加热速率，T为温度，Peq为平衡时的相份数，τ为延迟时间。
上述步骤(4)中，所述焊接温度场控制方程如公式(3)所示；
公式(3)中，T为温度，t为时间，λ为导热系数，ρ为材料的密度，c为材料的比热容，Q为外部热源输入的能量。
本发明的有益效果：
本发明提供一种高合金超高强度钢焊接升温过程中相份数的计算方法，针对焊接升温过程组织计算，通过不断调整组织计算模型中的参数，使计算得到的组织转变曲线与实验曲线吻合。得到的相份数计算结果与实验得到的结果吻合良好，表明本发明适合高合金超高强度钢焊接升温过程中相份数的计算。
附图说明
图1为杠杆法计算组织含量示意图。
图2为AF1410钢CHT图与模拟结果对比。
图3为奥氏体相的转变曲线与模拟结果对比。
图4为计算得到焊接完成时奥氏体分布云图。
具体实施方式
下面以AF1410钢焊接过程为例对焊接升温过程相份数进行计算，验证本发明的有益效果。
步骤一：获得不同加热速率下的热膨胀曲线；
将AF1410钢加工若干Φ3×10mm的试样，使用L78 RITA快速加热热膨胀仪进行实验。针对焊接升温过程，由于升温速率较高，设定20℃/s、50℃/s、100℃/s、200℃/s的温度梯度。由于相变引起的体积改变破坏了膨胀量与温度之间的线性关系，所以利用切线法标定不同升温速率下的AC1、AC3点，绘制CHT曲线。根据AC1、AC3随温度转变的趋势，线性外推至1000℃/s；
步骤二：利用杠杆法求解奥氏体转变的相份数曲线；
图1为杠杆法计算组织含量示意图。在加热过程中，如果不发生相变，热膨胀曲线按照AB延长。相变完全完成后，热膨胀曲线按照DE延长。由于相变的发生，曲线按照ACE段变化，所以BC段即为相变带来的影响。按照杠杆法，某一温度下新相的份数W为：
求解各温度下的新相转变份数，即可得到奥氏体转变的相份数曲线；
步骤三：基于FORTRAN语言开发组织计算模型公式(2)，通过优化模型参数，使计算得到的组织转变曲线与步骤二中的实验曲线吻合；
其中，P为相份数的计算值，t为时间，为加热速率，T为温度，Peq为平衡时的相份数，τ为延迟时间。
模拟后的AF1410钢CHT图及奥氏体相的转变曲线与实验结果对比分别如图2和图3所示。
步骤四：基于有限元软件计算焊接升温过程相份数及分布；
试板尺寸为140mm×120mm×6mm，采用钨极惰性气体保护焊自熔焊焊接方法，焊接工艺参数如表1所示。建立与实际工况相同的焊接有限元模型，划分网格，共23808个单元，29059个节点。设置热源参数及热边界条件，采用ABAQUS有限元软件计算求解温度场控制方程(公式3)及开发的组织计算模型(公式2)，获得焊接温度场和升温过程相份数的大小及分布。计算得到焊接完成时奥氏体分布云图如图4所示。
焊接温度场控制方程为：
其中，T为温度，t为时间，λ为导热系数，ρ为材料的密度，c为材料的比热容，4为外部热源输入的能量。
表1AF1410钢自熔焊焊接工艺参数
为了验证参数拟合结果的准确性，将计算结果与实验进行比较。通过比较可以看出，本发明所提供的相份数计算方法可以准确地反映不同升温速率下奥氏体相的转变含量与趋势。

Claims (2)

1.一种高合金超高强度钢焊接升温过程中相份数的计算方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)获得不同加热速率下的热膨胀曲线，具体过程为：根据实验需要选定不同加热速率，并利用热膨胀仪记录样品在某一加热速率下的热膨胀曲线；绘制热膨胀曲线时，由于相变引起的体积改变破坏了膨胀量与温度之间的线性关系，所以利用切线法标定不同升温速率下的AC1、AC3点，绘制CHT曲线；
(2)根据步骤(1)所得热膨胀曲线，利用杠杆法求解奥氏体转变的相份数曲线，称为实验曲线Ⅰ；求解奥氏体转变的相份数曲线的过程为：在热膨胀曲线中，发生相变前的直线段a的末端点为A，绘制该直线段a的延长线，相变完全之后的直线段e的前端点为E，绘制该直线段e的延长线；由于相变的发生，热膨胀曲线从A到E的中间段的斜率是变化的，温度T时的膨胀量为C，过C点作横坐标的垂线，与直线段a的延长线和直线段e的延长线分别相交于B点和D点；按照杠杆法，根据公式(1)计算在温度T时新相的份数W；并绘制以温度为横坐标、新相份数W为纵坐标的奥氏体转变的相份数曲线；新相是指升温过程中新产生的奥氏体相；
(3)根据组织计算模型，计算不同升温速率下奥氏体转变的相份数曲线，通过调整组织计算模型中的参数，使计算出的奥氏体转变的相份数曲线与步骤(1)所得实验曲线相吻合时，则进行步骤(4)；与实验曲线吻合时的计算出的奥氏体转变的相份数曲线称为计算曲线；所述组织计算模型如公式(2)所示；
公式(2)中，P为相份数的计算值，t为时间，为加热速率，T为温度，Peq为平衡时的相份数，τ为延迟时间；
(4)基于有限元软件计算焊接升温过程中相份数的大小及分布；
建立与实际工况相同的焊接有限元模型，设置热源参数及热边界条件，并利用焊接温度场控制方程及步骤(3)中的组织计算模型求解，从而获得焊接温度场和升温过程相份数的大小及分布。
2.根据权利要求1所述的高合金超高强度钢焊接升温过程中相份数的计算方法，其特征在于：步骤(4)中，所述焊接温度场控制方程如公式(3)所示；
公式(3)中，T为温度，t为时间，λ为导热系数，ρ为材料的密度，c为材料的比热容，Q为外部热源输入的能量。
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