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1 概述

不锈钢车辆以其良好的耐腐蚀性能、机械性能、防火安全、轻量化和低维护成本等优点，成为我国铁路机车工业的重要发展方向之一。 在不锈钢的焊接过程中，焊接残余应力是不可避免的，行业普遍采用焊后火焰热处理来降低焊接残余应力。 焊接残余应力分析是一个非常复杂的问题。 由于理论研究存在大量简化，难以达到预期结果，实验研究也难以揭示整个应力变形的演化过程。 因此，越来越多的数值分析被用于焊接残余应力分析。 模拟方法。

本文采用有限元仿真与实验研究相结合的方法，利用Sysweld有限元分析软件对06Cr19Ni10奥氏体不锈钢焊接接头焊后火焰加热过程进行仿真分析。 为分析合理的焊后火焰加热工艺，对06Cr19Ni10不锈钢焊接接头在不同温度下进行火焰加热处理后的力学性能试验和显微组织观察进行了研究。

二、试验材料及模拟方法

(一)试验材料

试验采用的材料为4mm厚的06Cr19Ni10不锈钢板，其化学成分如表1所示。由于焊接时填充材料的性能与母材接近，因此06Cr19Ni10不锈钢的材料参数在模拟过程中被选择用于计算。 数值模拟模型材料服从Von-Mises屈服准则，模型材料满足各向同性和随动强化假设。 泊松比和密度采用室温下的平均值，泊松比和密度的值分别为0.29g/cm3和7.72g/cm3，材料熔点设定为1400℃。

(2) 有限元模型

建立如图1所示的有限元模型，工件尺寸为100mm×100mm×4mm。 网格采用八节点六面体网格，最小单位长度为0.5mm。 为保证计算精度，靠近焊缝的网格细化，远离焊缝的网格较粗。 网格模型包含 200384 个网格节点和 223154 个网格单元。

图 1 焊接和焊后火焰加热的有限元网格

(3)焊接热源模型

首先，采用双椭球热源模型完成焊接过程模拟。 在实际焊接中，电弧热流围绕加热点中心呈非对称分布。 弧前加热面积小于弧后加热面积，加热点呈椭圆形分布。 根据熔池边界判据，利用焊接数值模拟软件Sysweld的热源校核工具，可以确定双椭球热源的形状参数。 对比熔池形状，通过试错法反复调整参数，如图2所示。

图2 模拟熔池截面与焊缝截面对比

(4) 火焰加热热源模型

高斯平面热源用于模拟火焰加热过程的热量。 火焰通过加热点的作用区域作用于焊件。 热点分布呈中心多边少的形式。 模拟温度选择为 600°C、700°C 和 800°C。 ℃。

(5) 试验方法

按照GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》和GB/T 2653-2008《焊接接头弯曲试验方法》，将06Cr19Ni10奥氏体不锈钢焊接接头加工成拉伸试样和弯曲试样，进行拉伸试验。试样尺寸如图3所示。采用WAW-300D万能试验机测试拉伸和弯曲性能，采用JSMIT300电子显微镜对拉伸试样断口形貌进行观察分析； 将试样抛光，用FeCl3盐酸水溶液腐蚀，用Axio Vert A1显微镜观察焊接接头的焊缝区、热影响区和母材的显微组织； VTD512显微硬度计用于测试焊接接头的硬度。

图3 拉伸试样尺寸

3.仿真与测试结果

(1) 温度场模拟结果

提取的06Cr19Ni10不锈钢焊接接头温度场模拟结果如图4所示。从图4可以看出，焊接时火焰以8mm/s的速度沿焊缝移动，峰值温度热源中心温度为1566.89℃； 火焰加热时，热源以6mm/s的速度运动，热源中心的峰值温度分别为596.71℃、698.01℃、796.76℃。

图4 焊接和火焰加热过程中的温度场分布

(2) 残余应力模拟结果

提取相应的焊接接头应力模拟结果，焊接后和火焰加热后的残余应力分布如图5所示。从图5可以看出，焊接残余应力集中主要分布在焊缝附近。 火焰加热后，热影响区附近的高应力区面积明显减少，残余应力峰值也降低。 残余应力分布仍然与焊缝有关。 对称分布。 仿真结果表明，焊后火焰加热可有效降低焊接残余应力。

图5 焊接和火焰加热后的残余应力分布

在焊缝中心至焊缝两侧0mm、±3mm、±6mm、±9mm、±12mm处分别提取不同火焰加热温度下的残余应力分布曲线焊接接头弯曲试验方法，如图6所示。研究了加热温度对热影响区残余应力的影响，发现当火焰加热温度较高时，残余应力显着降低。 当火焰温度超过700℃时，700℃和800℃的残余应力降低效果更接近。 本次模拟选择的600℃、700℃、800℃加热火焰均不同程度有效降低了06Cr19Ni10奥氏体不锈钢焊接接头的残余应力，说明工艺参数选择合理。

图6 不同加热温度下的残余应力分布曲线

(3) 火焰加热后焊接接头的拉伸性能

对06Cr19Ni10不锈钢焊接接头进行拉伸性能试验，抗拉强度试验结果如表2所示。对于06Cr19Ni10不锈钢焊接接头，无论焊接接头是否进行火焰加热，其抗拉强度满足GB/T 4237规定的06Cr19Ni10材料的抗拉强度要求。与未加热的焊接接头相比，火焰热处理后的焊接接头强度均有不同程度的提高。 拉伸试验结果表明，火焰加热温度为700℃时焊接接头的抗拉强度达到776.5MPa，比未加热的焊接接头提高了约14.28%，其强度高于未加热的焊接接头。焊接接头在 600°C 和 800°C 下加热。 火焰加热温度为700℃和800℃时，其伸长率满足06Cr19Ni10材料的伸长率要求，未加热和焊接接头及600℃火焰加热焊接接头的伸长率略低于06Cr19Ni10材料的伸长率要求材料 。 当加热温度为700℃时，焊接接头的伸长率达到46%，比未加热接头提高了29.58%。

图7显示了在700℃的加热温度下加热后焊接接头的拉伸断裂位置。 断裂位置在焊缝上，热影响区性能没有减弱。 用扫描电镜观察700℃加热后的焊接接头拉伸断口形貌如图8所示，断口处可见韧窝焊接接头弯曲试验方法，断口模式认为以韧性断裂为主，未见断裂迹象。脆性断裂。 综合评价强度性能可以得出结论，700℃火焰加热的焊接接头力学性能较好。

图7 拉伸断口宏观照片

图8 拉伸断口SEM照片

(4) 火焰加热后焊接接头的弯曲性能

对相应的焊接接头进行了弯曲性能试验，试验结果如图9所示。试验结果表明，无论焊接接头是否进行火焰加热，试样表面均未出现裂纹。正弯和后弯试验弯曲角度达到180°时，符合标准要求。

图 9 弯曲试验结果

(5) 火焰加热后焊接接头硬度

对相应的焊接接头进行了硬度测试，测试结果如图10所示。在焊接接头的热影响区，不同温度的火焰热处理可以不同程度地提高硬度。 当火焰加热温度为700℃时，热影响区硬度可达215.14HV，高于600℃和800℃火焰加热的焊接接头。

图10 硬度测试结果

(6) 火焰加热后焊接接头显微组织

06Cr19Ni10不锈钢焊接接头经不同温度火焰加热后热影响区附近200倍金相照片如图11所示。从图11可以看出，未经火焰加热的焊接接头焊缝组织为黑色铁素体在白色奥氏体基体上呈网状均匀分布，组织均匀； 热影响区为大量链状铁素体和少量铁素体。 蠕虫状铁素体沿轧制方向分布在奥氏体基体上。 火焰加热后的焊接接头在靠近焊缝的热影响区一侧呈柱状晶组织。 600℃火焰加热后组织较少，700℃火焰加热后组织略多但晶粒细小。 当热输入温度过高时，如800℃火焰加热后的显微组织所示，出现大量粗大的柱状晶组织。

图11 不同加热温度下焊接接头金相组织

四、分析与讨论

焊接接头在焊接和火焰加热过程中，由于热循环的作用，焊缝附近母材的组织发生变化，引起力学性能的变化。 火焰加热后的06Cr19Ni10不锈钢焊接接头在热影响区靠近焊缝的一侧呈柱状晶组织。 当加热火焰温度较高时，热影响区出现大量柱状晶组织。 一定量的这种结构的存在可以起到强化作用。 700℃火焰加热后，出现部分微细结构，强度高； 当火焰加热温度超过一定温度时，在加热和冷却不平衡的过程中，晶界容易发生迁移，使最易扩散的物质被推向析出并聚集在晶界处，加剧偏析晶界，同时热输入过大，如组织所示，800℃火焰加热后，出现大量晶粒相对粗大的柱状晶组织，导致强度下降。 因此，当火焰加热温度过高时，热影响区组织的变化是焊接接头力学性能下降的根本原因。

5 结论

本文采用有限元分析软件Sysweld建立06Cr19Ni10奥氏体不锈钢焊接接头焊接及焊后火焰加热的热源模型。 仿真结果表明，600℃、700℃、800℃的加热火焰均能有效改善焊接残余应力的分布，且火焰温度超过700℃时残余应力降低效果更好，且700℃和800℃还原效果更接近。

当热输入过大时，热影响区会出现大量粗大的柱状晶粒，对焊接接头性能产生不利影响。 因此，06Cr19Ni10不锈钢焊接接头采用焊后火焰加热降低残余应力时，必须严格控制加热温度。 加热温度以700℃为宜。

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