热轧辊堆焊试样温度场和应力场数值模拟与测量的学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于2014年《热加工工艺》杂志，由浙江工业职业技术学院陈雪丽等人与浙江建设职业技术学院张智靓合作完成，采用ANSYS软件对热轧辊堆焊过程中的温度场和应力场进行了数值模拟，并通过实验测量验证了模拟的合理性。热轧辊是钢铁企业轧制生产线的核心部件，其表面堆焊耐磨合金层是恢复辊面性能、延长使用寿命的主要手段。然而，堆焊后裂纹是制约堆焊质量的主要问题，其成因与堆焊过程中的温度场分布和残余应力状态密切相关。

数值模拟方法与模型建立

考虑马氏体相变的模拟策略

该研究的一个显著特点是：在模拟中考虑了堆焊金属及母材的马氏体相变。马氏体相变是钢在高温冷却过程中发生的无扩散相变，伴随体积膨胀，会在焊缝区域产生额外的膨胀应力。如果不考虑相变效应，模拟得到的残余应力将严重偏离实际值，无法准确预测裂纹风险。

ANSYS软件通过热-力耦合分析实现温度场和应力场的计算。温度场计算采用瞬态热分析，考虑电弧热源（通常采用双椭球热源或高斯热源模型）的移动加热过程；应力场计算采用热力耦合分析，在温度场计算结果的基础上进行力学求解。马氏体相变通过定义相变膨胀应变来实现，即在相变温度区间内施加附加应变。

关键计算结果

关键发现分析

快速冷却与马氏体生成

焊缝在6秒内从1600℃降至200℃以下，冷却速率极高。这一冷却速率远超临界冷却速率，必然导致马氏体组织的形成。马氏体组织硬度高但脆性大，是堆焊层产生裂纹的主要组织学原因。在热轧辊堆焊中，母材通常为高碳高铬轴承钢或高铬铸铁，其本身具有较低的临界冷却速率，更容易在堆焊冷却过程中形成淬硬组织。

应力分布特征

最大切向拉应力位于焊缝末端（左端），大小为440 MPa。这一应力水平对于大多数堆焊合金而言已经超过了其屈服强度，甚至接近抗拉强度，裂纹风险极高。应力分布呈现左端拉、右端压的不对称特征，这与堆焊方向、热输入分布和约束条件有关。焊缝中心处的切向应力先增大后减小，最终稳定在139 MPa，说明中心区域由于热循环叠加效应，应力水平相对较低。

模拟与实测的一致性

文中提到模拟结果与测量结果吻合良好，这一验证对于数值模拟的可信度至关重要。在工程应用中，数值模拟的价值取决于其与实测数据的一致性。温度场和应力场的准确预测，是制定防裂工艺措施的前提。

工程实践启示

防裂工艺措施

基于应力分析结果，可采取以下防裂措施：

1. 控制冷却速率：通过保温措施（如石棉布覆盖、电加热保温）降低冷却速率，减少马氏体形成量。
2. 优化堆焊方向：调整堆焊方向以改变应力分布，将最大拉应力区域转移到约束较弱的部位。
3. 采用多层多道堆焊：利用后道焊道对前道焊道的"回火"效应，降低残余应力。
4. 焊后热处理：堆焊后进行去应力退火，消除残余应力，但需注意避免对堆焊层硬度的不利影响。

数值模拟的应用价值

该研究展示了数值模拟在堆焊工艺优化中的实用价值。通过模拟可以预测不同工艺参数下的应力分布，从而在实验前识别高风险区域，指导工艺参数的优化。对于热轧辊这类大型部件，全尺寸堆焊试验成本高昂，数值模拟可显著降低研发成本。

学习心得

这篇文献让我深刻认识到，堆焊裂纹的防治不能仅停留在"加大预热温度"的简单层面，而需要从温度场和应力场的物理本质出发进行系统分析。马氏体相变对残余应力的贡献不容忽视——即使不考虑相变，仅靠热弹性应力也可能超过材料的承受极限；而考虑相变后，应力水平进一步升高，裂纹风险更加严峻。对于从事轧辊堆焊的工程师而言，掌握数值模拟工具、理解温度场-应力场-组织演化的耦合关系，是提升堆焊质量的关键能力。该文虽然以试样为研究对象，但其分析方法可推广到全尺寸轧辊的堆焊工艺优化中。