考虑相变诱导塑性的埋弧堆焊过程数值模拟方法研究文献学习体会

文献概况与技术创新点

黄庆春等发表于《表面技术》2021年第50卷第3期的这篇论文，针对埋弧堆焊修复失效轧辊的工艺过程，创新性地引入了相变诱导塑性（TRIP, Transformation-Induced Plasticity）效应，建立了考虑马氏体相变与相变塑性应力耦合的数值模拟方法。该研究由辽宁科技大学与中国能建东电一公司锅炉项目部联合完成，获得国家自然科学基金等多项基金资助。

文献的核心创新在于：传统焊接数值模拟通常仅考虑热-力耦合，而忽略了相变过程中伴随的体积变化与塑性变形。本文通过CALPHAD方法计算堆焊材料的温变物性参数，基于COMSOL多物理场耦合平台，实现了瞬态温度场、马氏体相成分及相变诱导塑性应力的同步模拟，为轧辊堆焊修复的残余应力预测与组织控制提供了更精确的理论工具。

相变诱导塑性的物理机制

相变诱导塑性（TRIP效应）是指：在奥氏体向马氏体转变过程中，由于马氏体比容大于奥氏体比容，体积膨胀产生的应变中，弹性应变与塑性应变共存，其中塑性应变部分即为相变诱导塑性。在埋弧堆焊过程中，TRIP效应的具体表现如下：

文献模拟结果表明：冷却过程中因马氏体相变使焊缝热影响区的应力值缓慢下降，焊件完全冷却后的残余应力最大值为376 MPa，马氏体相占比为94%。这一残余应力水平对于轧辊修复件而言处于可接受范围，但需通过后续去应力处理进一步降低。

双椭球热源模型与多物理场耦合

研究采用双椭球热源模型描述埋弧堆焊的热输入分布。双椭球模型将焊接热源分为前、后两个椭球体，前半椭球体热分配比通常取0.5-0.6，后半椭球体取0.4-0.5，以反映焊接过程中热量在熔池前方的集中与后方的扩散。

在COMSOL多物理场耦合平台中，温度场、应力场与相变场通过以下耦合关系实现同步计算：

• 热-相变耦合：温度场决定马氏体相变的起始温度（Ms点）和转变动力学，相变过程中的潜热释放反馈影响温度场。
• 相变-应力耦合：马氏体相变引起的体积膨胀产生相变应力，与热应力叠加形成总应力场。
• 应力-相变耦合：应力状态影响马氏体相变的临界条件，压缩应力有利于马氏体转变，拉伸应力则抑制转变。

模拟结果与实验验证

文献通过Zeiss-Sigma HD场发射扫描电镜观察了轧辊堆焊切片金相组织，验证了数值模拟的准确性。模拟预测的马氏体相占比94%与金相观察结果吻合，说明CALPHAD方法计算的材料温变物性参数和COMSOL多物理场耦合模型具有可靠的预测能力。

靠近基体一侧的焊缝，相比于堆焊层其传热更快，导致马氏体相变更加迅速，其相变塑性应力值呈更大的宽带分布。这一发现具有重要的工程意义：基体与堆焊层交界区域是组织与应力最不稳定的区域，也是裂纹萌生的高风险区域。在实际修复工艺中，应重点关注该区域的残余应力状态与组织特征。

与工程实践的结合

轧辊是钢铁生产中的核心装备，其表面堆焊修复是延长使用寿命的主要手段。埋弧堆焊因热输入大、熔敷效率高，是轧辊修复的首选工艺。然而，埋弧堆焊的残余应力控制一直是技术难点。该文献提供的考虑TRIP效应的数值模拟方法，可为以下工程问题提供解决方案：

1. 残余应力预测与优化：通过模拟预测不同工艺参数下的残余应力分布，优化焊接参数以降低残余应力。
2. 裂纹风险预判：识别残余应力集中区域与组织不稳定区域，提前采取防裂措施。
3. 去应力处理工艺设计：根据残余应力分布特征，设计合理的去应力退火温度与保温时间。

学习心得与启示

这篇文献让我深刻认识到：焊接数值模拟的精度取决于对物理过程的完整描述。传统的热-力耦合模型忽略了相变过程中的体积变化与塑性变形，而TRIP效应的引入显著提高了残余应力预测的准确性。对于钢管和管件的堆焊修复工艺开发，建立包含相变耦合的多物理场模拟模型，是实现工艺参数精确优化与缺陷有效防控的必要技术基础。同时，CALPHAD方法在材料物性参数计算中的应用，为模拟提供了更可靠的输入数据，值得在后续研究中进一步推广。