第3 5 卷 第8 期 2 0 1 4 年 8 月

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TＲANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION

Vol． 3 5

No． 8

August

2014

相变塑性对低温相变钢焊接接头残余应力 计算精度的影响 1 2 2 邓德安 ， 村川英一 ， 麻宁绪

（ 1． 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400045； 2． 大阪大学 接合科学研究所，日本 摘

大阪 567 － 0047）

要： 基于 JWＲIAN 焊接数值模拟软件，开发了考虑固态相变的热—冶金—力学耦合的数值计算方法来模拟低

温相变钢的焊接残余应力． 重点讨论了固态相变中的体积变化、屈服强度变化和相变塑性对焊接残余应力的影响． 结果表明，相变引起的体积变化和屈服强度变化对最终的焊接残余应力分布和大小有显著影响，相变塑性与前两 者相比较影响相对较小，但它对焊缝和热影响区在相变过程中的应力变化趋势有一定的减缓作用，从而适度“松 弛”了残余应力． 关键词： 固态相变； 数值模拟； 残余应力； 相变塑性 中图分类号： TG 404

0

序

文献标识码： A

文章编号： 0253 － 360X（ 2014） 08 － 0009 － 04

言

合的有限元计算方法来模拟低温相变钢焊接接头的 残余应力． 在所开发的数值模拟方法中，考虑了过

随着计算机技术的发展和非线性有限元理论的 日臻完善，计算焊接力学的体系已经建立起来了 ，而

冷奥氏体转变成马氏体过程中的体积变化、屈服强 度的变化和相变超塑性现象． 在数值模型中，采用

［1 － 3］ ． 但是由于焊接 且近十年来取得了长足的进步 过程的复杂性，目前仍然有一些关键问题还没有得

JMAK 方程计算扩散型相变中新相的体积分数 ； 采 用 K-M 关 系 计 算 非 扩 散 型 相 变 中 新 相 的 体 积 分

到有效解决． 例如如何开发高精度材料模型来严格

数

考虑焊接过程中固态相变对残余应力和变形的影响 仍然是一个难题； 如何考虑易产生加工硬化的材料

主要目的是采用数值方法定量澄清相变塑性对低温 相变钢焊接残余应力的影响．

在焊接热循环尤其是多次热循环条件下硬化与退火 ［4， 5］ 软化问题 也是一个需要深入研究的问题．

1

以往的研究表明，对于碳当量较大或含合金元 素较多的钢而言，固态相变对焊接残余应力的形成 ［6］

［6］

； 采用 Inoue 模型［7］模拟相变超塑性． 文中研究

数值模拟方法 如前所述，在固态相变发生过程中有 3 个主要

过程及最终的应力分布和大小有明显影响

． 在冷 却过程中过冷奥氏体转变成马氏体或贝氏体时，由

因素即体积变化、力学性能变化（ 主要是屈服强度变 化） 和相变塑性对焊接残余应力的形成过程及其最

于材料的晶体结构从面心立方结构转变为体心长方 结构或体心立方结构而发生体积膨胀． 同时由于材

终分布和大小有影响． 如果单纯采用试验方法来定 量研究各个因素对残余应力的影响是非常困难的，

料的组织发生了变化，材料的力学性能 （ 如屈服极 限） 也会发生显著变化． 此外在相变过程中，新生成

因为在试验中上述 3 个主要因素同时发生而且很难 设计试验方案区分它们单独对残余应力的影响． 数

的相（ 如马氏体 ） 与母相 （ 奥氏体 ） 之间由于冷却过 程中的应力作用会产生相变塑性． 这种塑性即使在 应力低于材料的屈服强度下也会发生，因此也把此

值方法是一种可能区分每个因素对焊接残余应力影

类塑性称为相变超塑性． 作为基础研究，文中开发了热—冶金—力学耦

AN 计算程序基础上，开发了考虑固态相变的材料模

收稿日期： 2014 － 01 － 15 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51275544） ； 中央高校基金 资助项目（ CDJZＲ12130036）

响大小的方法． 在日本大阪大学接合科学研究所开发的 JWＲI型来预测低温相变钢的焊接残余应力． 在该计算方 法中，采用热—组织—应力的顺序耦合方式来模拟 焊接过程中的温度场、组织场和应力场． 具体的计 算流程如下： （ 1） 根据接头的几何形状和尺寸进行

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有限元建模和网格划分； （ 2） 采用热分析模块进行 温度场计算． 根据焊接条件确定焊接热输入，并采

扩散型相变采用 K-M 关系计算新相的体积分数． 与 此同时，根据线性混合法则计算各个材料点的对应

用移动热源模拟焊接热输入，热量在焊接工件传播 中采用热传导方式，在考虑对流和辐射边界条件的

温度下的力学性能参数 （ 如屈服强度、线膨胀系数 等） ，将这些参数代入应力模块中进行应力计算．

情况下进行温度场计算； （ 3） 将温度场计算结果代 入组织—应力计算模块． 根据温度循环计算各个材 料点组织（ 相） 的体积分数． 在组织计算时，对于扩

在应力模型中，通过修正线膨胀系数来反映相变过 ［7］ 程中的体积变化． 采用 Inoue 模型 来计算固态相

散型相 变 采 用 JMAK 方 程 计 算 新 相 的 体 积 分 数， JMAK 方程的参数可以根据 CCT 图［6］ 得到； 对于非

图1 Fig. 1

变过程中的相变超塑性． 在计算过程中忽略了固态 相变潜热的影响． 计算流程如图 1 所示． 关于奥氏体—贝氏体转变和奥氏体 —马氏体转

计算流程图

Flowchart of the analysis procedure

变的计算方法，可以参考文献［6］，限于篇幅这里只 ［7］ 简要介绍相变塑性的计算方法． 根据 Inoue 等人 ［8］

的研究，在奥氏体—马氏体转变 tp 过程中的相变塑性增量（ Δε ij ） 可以采用下式进行计 和 Leblond 等人

接位置由图 2 中的实线表示． 在低温相变材料中， 马氏体的开始转变温度和结束转变温度分别为 300 和 100 ℃ ． 由于只发生奥氏体—马氏体转变，在热 循环过程中的屈服强度的变化如图 3 所示．

算，即 tp Δε ij = 3K（ 1 － f M ） Δf M S ij

（ 1）

式中： K 为相变塑性系数 （ 通过试验可以测得 ） ； f M 为马氏体的体积分数； Δf M 为马氏体体积分数增量； S ij 为应力张量．

2

有限元模型及计算案例

为了研究相变塑性对残余应力的影响，采用的 材料为低温相变材料，由于合金含量较多，该材料在 冷却过程中只发生奥氏体—马氏体相变． 为了方便 起见，采用了 TIG 重熔的焊接方法，有限元模型如 图 2 所示，试板尺寸为 200 mm × 200 mm × 5 mm，焊

图2 Fig. 2

有限元模型

Finite element mode

为定量考察相变塑性对焊接残余应力的影响， 计算了 4 个案例． Case A 不考虑相变； Case B 考虑

邓德安，等： 相变塑性对低温相变钢焊接接头残余应力计算精度的影响

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由于焊缝方向上的拘束度大，因此材料在冷却过程 中由奥氏体向马氏体转变时，由于体积膨胀抵消了 相变前形成的累积拉伸应力． 在计算模型中考虑了 在冷却过程中的过冷奥氏体屈服强度，因此材料冷 却到马氏体相变温度前由于受奥氏体的屈服极限的 限制形成的累积拉伸应力并不是很大，在体积膨胀 的作用下最终在焊缝和热影响区的应力就变成压缩 应力了． 仔细比较 Case B，Case C 和 Case D 可以发

图3 Fig. 3

现，三者之间还是有一定的差异． 在 Case B 中完全 忽略了相变塑性的影响，焊缝和热影响区的压应力

材料的屈服强度与温度的关系

Temperature-dependent yield strength

体积变化和屈服强度变化，但不考虑相变塑性； Case C 考虑体积变化、屈服强度变化和相变塑性； Case D 在 Case C 的基础上，人 为 将 相 变 系 数 （ K） 放 大 一 倍． 需要说明的是，目前还没有直接测量低温相变

平均值约为 － 180 MPa，而 Case C 和 Case D 在对应 位置的平均值分别为 － 150 和 － 110 MPa． Case D 中，由于人为扩大了相变塑性系数，计算得到的纵向 残余应力与 Case C 相比焊缝和热影响区的纵向压 缩应力值在整体上偏小些．

材料的相变塑性系数，文中是在调研数种材料试验 ［7］

测定值的 基 础 上

假 定 了 一 个 参 考 值，参 考 值 为

0． 000 1 / MPa，并假定相变塑性系数不随温度变化． 四种计算案例如表 1 所示． 表1 Table 1

3

不同相变塑性系数值的计算案例

Simulation cases with different K parameter 相变塑性系数

M s 温度

Case

相变

A

不考虑

不考虑

不考虑

B

考虑

0

300

C

考虑

0． 000 1

300

D

考虑

0． 000 2

300

K / MPa

－1

T Ms / ℃

Fig. 4

图 4 纵向残余应力分布云图 Contours of longitudinal residual stress distributions

计算结果与讨论 鉴于篇幅所限，这里重点讨论纵向残余应力的

计算结果． 图 4 比较了四种计算案例的纵向残余应 力分布云图． 从图 4 中可以看出，不考虑固态相变 的 Case A 中的纵向残余应力分布与其它三种情况 的应力分布有明显的区别． 在 Case A 中，焊缝及其 附近区域的纵向残余应力为拉伸应力，而且数值与 材料常温下的屈服极限相当 （ 约为 700 MPa） ，峰值 应力约为 750 MPa． 而在 Case B，Case C 和 Case D 中，焊缝和热影响区的纵向残余应力为压应力 ，而且 三种情况的应力分布只有一些局部和细微的差异 ． 图 5 比较了四种计算案例的中央断面焊缝及其附近 的纵向残余应力． 图 5 进一步证实了 Case A 与其它 三种计算案例之间的区别，说明固态相变中的体积 变化和屈服强度变化对焊接残余应力有显著影响 ．

Fig. 5

图 5 中央断面上的纵向应力分布 Longitudinal residual stresses in the mid-section

图 6 定量比较了四种计算案例在中央断面上表 面的纵向残余应力分布． 从图 6 可以看出，在不考 虑固态相变的情况下，焊缝及热影响区的纵向残余 应力与材料的屈服强度极限相当． 而考虑固态相变 后这一区域的纵向残余应力显著下降并变为压缩应 力． 同时还可以看到，相变塑性在相变过程中有减 缓因体积变化而产生应力变化趋势的效果 ，相变塑 性系数越大，减缓效果越明显．

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变过程中因体积变化而引起应力变化的趋势 ，对焊 缝和热影响区的应力有一定的“松弛”作用． （ 3） 相变塑性对残余应力有一定的影响，为了 提高计算精度，在材料模型中有必要考虑相变塑性 ． 在今后的研究中需要设计试验来精确测量材料的相 变塑性系数． 参考文献： 图6 Fig. 6

中央断面上表面的纵向残余应力分布

Longitudinal residual stress distributions on top surface

［1］ Ueda Y，Murakawa H，Nakacho K，et al． Establishment of computational welding mechanics［J］． Transaction JWＲI，24（ 2） ： 7 － 20． ［2］ 邓德安，梁

伟，罗

宇，等． 采用热弹塑性有限元方法预测

低碳钢钢管焊接变形［J］． 焊接学报，2006，27（ 1） ： 76 － 80． Deng Dean，Liang Wei，Luo Yu，et al． Prediction of welding de-

图 7 比较了 Case A，Case B，Case C 和 Case D 的中央断面上表面横向残余应力分布． 从图 7 可 知，在不考虑相变的情况下 （ Case A） ，焊缝和热影 响区的横向应力较小，而在考虑相变引起的体积变 化和屈服强度变化情况下（ Case B） 焊缝及其附近的 横向残余应力明显增加． 在考虑相变塑性情况下， 上表面横向应力有所下降，且相变塑性系数越大，横 向应力值下降越多，这说明相变塑性也有减缓横向 残余应力在相变过程中的变化趋势的效果 ．

formation in mild steel pipe using thermal elastic plastic finite element method［J］． Transactions of the China Welding Institution， 2006，27（ 1） ： 76 － 80． ［3］ 张增磊，史清宇，刘

园，等． 焊接数值模拟材料新模型的建

立及应用［J］． 焊接学报，2009，30（ 2） ： 45 － 48． Zhang Zhenglei，Shi Qingyu，Liu Yuan，et al． Establishment and application of material models for numerical simulation of welding process［J］． Transactions of the China Welding Institution，2009， 30（ 2） ： 45 － 48． ［4］ 邓德安，清岛祥一． 焊接顺序对厚板焊接残余应力分布的影 响［J］． 焊接学报，2012，33（ 12） ： 55 － 58． Dean Deng，Shoichi Kiyoshima． Influence of welding sequence on welding residual stress distribution in thick plate joint［J］． Transactions of the China Welding Institution，2012，33（ 12） ： 55 － 58． ［5］ 邓德安，清岛祥一． 退火温度对 SUS304 不锈钢焊接残余应力 计算精度的影响［J］． 金属学报，2014，50（ 5） ： 626 － 632． Dean Deng，Shoichi Kiyoshima． Influence of annealing temperature on calculation accuracy of welding residual stress in a SUS304 strainless steel joint［J］． Acta Metallurgica Sinica，2014，50（ 5） ： 626 － 632． ［6］ Deng Dean，Tong Yangang，Ma N，et al． Prediction of the residual welding stress in 2． 25Cr-1Mo steel by taking into account the effect of solid-state phase transformation［J］． Acta Metallurgica

图7 Fig. 7

中央断面上表面的横向残余应力分布

Transverse residual stress distributions on top sur-

Sinica （ English Letters） ，2013，26（ 3） ： 333 － 339． ［7］ Inoue T． Mechanics and characteristics of transformation plasticity and metallo-thermo-mechanics process simulation［J］． Engineering

face

Procedia，2011，10： 3793 － 3798．

4

结

论

［8］ Leblond J． Mathematical modeling of transformation plasticity in steels II： coupling with strain hardening phenomena［J］． International Journal of Plasticity，1986，5： 573 － 591．

（ 1） 相变引起的体积变化和屈服强度变化对低 温相变材料的残余应力有明显的影响 ．

作者简介：

（ 2） 与体积膨胀和屈服强度变化相比较，相变 塑性对焊接残余应力的影响要小些，但它可减缓相

110 余篇． Email： deandeng@ cqu． edu． cn

邓德安，男，1968 年出生，博士，教授，博士研究生导

师． 主要从事焊接数值模拟和金属材料焊接方面的研究． 发表论文

2014，Vol． 35，No． 8

TＲANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION

Ⅰ

MAIN TOPICS，ABSTＲACTS ＆ KEY WOＲDS Effect of welding methods on impact toughness of ultra-low carbon martensitic stainless steel welding wire deposited metal DU Bing1，2 ，SUN Fenglian1 ，XU Yujun2 ，LI Xi2 aoyu ，L Xiaochun2 ，QIN Jian2 （ 1． College of Material Science and Engineering，Harbin University of Science and Technology， Harbin 150001，China； 2． Harbin Welding Institute，Harbin 150028，China） ． pp 1 － 4 Abstract： As for the low impact toughness of weld metal for large hydro-turbine runner，effect of welding methods and gas content on impact toughness of ultra-low carbon martensitic stainless steel welding wire deposited metal is investigated． The results show that the Laser-MIG hybrid welding in addition to TIG welding can greatly improve the impact toughness． TIG can be used for weld repairs of stainless steel runner． Laser -MIG welding could promete the using in the group welding of laminas， vanes and band． The impact toughness decreased with the increase of C，［O］and ［N］content of deposited metal，and ［O］ is the major factor． Spherical oxide inclusion can generate crack in deposited metal with high ［O］ condition，and decrease crack initiation and expansion energy． Key words： martensitic stainless steel； welding method； impact toughness； hydro-turbine runner Dynamic stability analysis of soft-switching resonant process and optimization of PWM control waveform ZHU Zhim1， 2 1 1 ing ，YANG Zhongyu ，XIA Zhuliang ，TANG Yingying1 （ 1． Department of Mechanical Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084，China； 2． Key Lab． for Advanced Materials Processing Technology，Ministry of Education，Tsinghua University，Beijing 100084，China） ． pp 5 － 8 Abstract： Based on the decoupled analysis of soft-switching resonant process in phase-shift controlled full- bridge power converter，a“1-2-1”cosine mode PWM control waveform is proposed，which is aimed at dealing with the process of power-start and frequently violent dynamic change on welding arc load． According to the generating principle of digital PWM control waveform in DSP，a phase-shift PWM control waveform with " 1-2-1" cosine mode is designed，and its control effect is verified experimentally． The results show that，by using this phase-shift PWM mode to control full-bridge power converter，it can not only meet the requirement of effective duty cycle in PWM control pulse with regard to the power output characteristics，but also guarantee the dynamic stability in soft-switching resonant process of leading-leg parallel resonant network and transformer primary side serial resonant network，so that the soft-switching state of power devices will be maintained in the process of power-start and frequently violent dynamic change on welding arc load． Key words： control waveform optimization； phase-shift palse width modulation control； soft-switching resonance； full-

bridge converter Influence of TＲIP on calculated results of residual stress in a low temperature transformation steel joint DENG 1 2 2 Dean ，MUＲAKAWA Hidekazu ，MA Ningxu （ 1． College of Materials Science and Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045，China； 2． Joining and Welding Ｒesearch Institute，Osaka University，Osaka 567-0047，Japan） ． pp 9 － 12 Abstract： In this study，a computational approach based on JWＲIAN software was developed to predict welding residual stress in low temperature transformation （ LTT） steel joint with considering solid-state phase transformation． The main objective was to clarify the influences of volume change，yield strength variation and transformation induced plasticity （ TＲIP） on the welding residual stress by means of the developed numerical method． Numerical results indicate that both volume change and yield strength variation during austenite-martensite have significant influences on the formation of welding residual stress in the LTT steel joint． In addition，TＲIP also has somewhat influence on the welding residual stress，and it can relax the change tendency of both longitudinal and transverse stresses during phase transformation to some extent． Key words： solid-state phase transformation； numerical simulation； residual stress； transformation induced plasticity Fiber laser-assisted TIG welding weld characteristics and influencing factors YIN Yan1 ，TA Jinguo1 ，WANG Zhan1 chong ，ZHANG Ｒuihua1，2 （ 1． Key Laboratory of Non-ferrous Metal Alloys，Lanzhou University of Technology，Ministry of Education，Lanzhou 730050，China； 2． China Iron ＆ Steel Ｒesearch Institute Group，Beijing 100081，China） ． pp 13 － 16 Abstract： On the base of active welding method，laser aided activating TIG welding was proposed． At first，the surface of weld was melted by the mini power laser protected by oxygen． Then the conventional TIG was used to cover the weld，which achieved the target of the weld with deeper penetration and narrower width． The results show that with the increase of welding current，the penetration and width of weld melted and unmelted by laser increased，but the penetration of weld melted increased faster． The increase of welding speed led to decrease of penetration and width． With increase of power laser，the penetration increased，but width decreased． With the increase of pre-melting speed，the penetration increased first and then decreased，the width decreased and then increased． The weld，its penetration increased significantly and appearance was good，was gained by optimum parameters． Thus laser aided activating TIG welding was developed as a novel active welding method． Key words： activating TIG welding； laser； oxygen； penetration increase