基于有限元數(shù)值模擬的激光包覆焊焊接變形預(yù)測(cè)與控制

孫強(qiáng)　方榮超　樊宇　徐杰　張軍　張?jiān)S陽(yáng)　陳則陽(yáng)

摘要：在不同焊接條件下采用激光焊接器對(duì)1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼薄板在27SiMn合金結(jié)構(gòu)鋼表面進(jìn)行激光包覆焊，采用Msc. Marc軟件在相同條件下對(duì)激光焊接結(jié)果進(jìn)行模擬計(jì)算。對(duì)比有限元數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，Marc有限元軟件能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)焊接模擬的走向，可根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)材料進(jìn)行預(yù)處理以減少焊后應(yīng)力。在激光功率為400 W、焊接速度0.8 m/min條件下，在實(shí)驗(yàn)和模擬中利用夾具對(duì)板材進(jìn)行剛性位移約束，焊件變形量分別減少了95.3%和95.9%。同時(shí)通過預(yù)應(yīng)力法對(duì)焊接變形進(jìn)行模擬矯正，在800 N拉力下，板材變形量減少了29.3%。試驗(yàn)結(jié)果證明，采用剛性固定法和預(yù)應(yīng)力法可以有效地減少焊接變形量。

關(guān)鍵詞：不銹鋼薄板;激光焊;數(shù)值模擬;Msc.Marc;焊接變形

中圖分類號(hào)：TG456.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）04-0116-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.21

0 前言

27SiMn是一種綜合性能優(yōu)異的合金結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的切削及焊接性能，可用于制作無縫鋼管和液壓支柱[1]。但在一定環(huán)境中，27SiMn使用一定時(shí)間后其表面會(huì)被氧化腐蝕形成一層紅褐色的氧化膜，對(duì)材料的使用性能和壽命有較大影響[2]。為使27SiMn基材免受各種形式的腐蝕，可在其表面焊接一層金屬保護(hù)層，不但可以隔絕腐蝕介質(zhì)，還能形成陽(yáng)極保護(hù)[3]，當(dāng)材料腐蝕時(shí)，首先腐蝕的是金屬保護(hù)層，從而緩減對(duì)27SiMn基材的腐蝕。

為了預(yù)測(cè)接頭的幾何形狀、微觀結(jié)構(gòu)和其他焊接特性，本文對(duì)焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并部分采用試錯(cuò)法替代昂貴、耗時(shí)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。初始模擬被簡(jiǎn)化，主要集中在二維（2D）方法上。如Bonollo[4]等人采用點(diǎn)線混合熱源模型預(yù)測(cè)了部分穿透焊接中的釘形狀;Huang H[5]等開發(fā)了點(diǎn)和線熱源來模擬激光鍵孔焊接，通過溫度分布估計(jì)焊縫部分，并與實(shí)際焊縫進(jìn)行比較。2D焊接仿真雖然大大減少了計(jì)算時(shí)間，但難以揭示實(shí)際傳熱機(jī)理，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果之間存在一定偏差。該模型的有效性與焊接過程中描述的物理現(xiàn)象精度高度相關(guān)。一些研究人員使用三維（3D）混合熱源模型來描述焊接過程。Shanmugam[6]等人假設(shè)熱輸入為三維錐形高斯熱源，用于分析T型接頭激光焊接過程中的溫度分布情況，并研究了激光束功率、焊接速度和光束入射角對(duì)焊道幾何形狀（穿透深度和焊道寬度）的影響。Chukkan[2，7]等人模擬比較了不同熱源對(duì)AISI316L不銹鋼激光對(duì)接焊接的影響，發(fā)現(xiàn)具有圓柱形殼熱源的3D圓錐體的預(yù)測(cè)結(jié)果比其他熱源的預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確。

本文采用500 W光纖激光焊接機(jī)對(duì)1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼薄板和27SiMn鋼板進(jìn)行包覆焊接，通過MSC.Marc[8]有限元軟件對(duì)相同實(shí)驗(yàn)條件下的激光焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬[9-10]，分析焊接過程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和焊接殘余形變，較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了焊后變形與應(yīng)力。最后采用剛性固定法和預(yù)應(yīng)力法對(duì)焊接變形進(jìn)行控制與矯正，從而降低焊后變形量。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

基體金屬為27SiMn，尺寸為200 mm×40 mm×5 mm，其化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。金屬保護(hù)層材料為1Cr17Ni2，尺寸為130 mm×36 mm×1 mm，化學(xué)成分如表3所示，其高溫物理性能如表4所示。為了保護(hù)焊接區(qū)域免受油污染和氧化膜干擾，試板的每個(gè)接觸表面預(yù)先通過銑削方式進(jìn)行清潔，焊接前用丙酮擦拭。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

激光焊接設(shè)備包括美國(guó)IPG產(chǎn)MFSC-500W光纖激光焊接器、10 m φ200 μm光纖、德國(guó)Precitec激光焊接頭等。激光氮化配置德國(guó)進(jìn)口Precitec光纖激光加工頭單元，其結(jié)構(gòu)照片如圖1a所示，激光系統(tǒng)采用美國(guó)IPG產(chǎn)MFSC-500W光纖激光器，如圖1b所示。焊接工藝參數(shù)如表5所示。1Cr17Ni2居中放置在基體金屬27SiMn上進(jìn)行焊接。每次焊接有6道工序，焊接順序?yàn)橛勺笾劣?，以板材?duì)稱軸為中心，每道焊縫相距2 mm，每道焊接工序之間的冷卻時(shí)間為15 s，焊接后的試件如圖2所示。

1.3 焊接形變的測(cè)量

由于在焊接板材的裝配過程中難免出現(xiàn)定位的誤差，導(dǎo)致焊接路徑并非嚴(yán)格按照對(duì)稱軸進(jìn)行，從而出現(xiàn)焊接中心路徑左右長(zhǎng)度不相等的現(xiàn)象。為了盡量減少誤差，使用等比測(cè)量的方法，首先測(cè)量板材兩端距離中心焊縫的距離a，再測(cè)量翹起整體的高度h，再用h減去27SiMn合金鋼板的厚度和1Cr17Ni2的厚度就可大體算出板材在兩端的變形量d1，然后根據(jù)等比公式計(jì)算

由于板材的形變角度不大，故可以近似地將板材厚度直接減去，d1的估計(jì)誤差值在±0.05 mm以內(nèi)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

調(diào)整激光功率，在不同參數(shù)下對(duì)試件進(jìn)行焊接。在Marc有限元軟件中設(shè)置相應(yīng)條件，進(jìn)行同等情況下的數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比如表6所示，實(shí)驗(yàn)和模擬變形量分別與焊接參數(shù)的關(guān)系曲線如圖3所示，不同激光功率和焊接速度下實(shí)驗(yàn)與模擬變形量對(duì)比分別如圖4、圖5所示。由圖可知，實(shí)驗(yàn)與模擬的結(jié)果出現(xiàn)了一定的誤差，且偏差值穩(wěn)定在7%。出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)誤差的原因可能是：焊接過程中的人為操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)的偏差，如板材在切割時(shí)出現(xiàn)尺寸偏差，在測(cè)量時(shí)肉眼觀測(cè)出現(xiàn)偏差等。模擬中出現(xiàn)偏差的原因可能是：材料物理參數(shù)的不足或者與實(shí)際材料出現(xiàn)偏差[13];初始溫度場(chǎng)的設(shè)置與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的偏差;焊接熱源與模擬熱源數(shù)據(jù)（熔寬、熔深等）的差別等。這些因素都會(huì)引起最后結(jié)果與實(shí)際情況出現(xiàn)誤差[14]，利用Marc有限元軟件可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)焊接模擬的走向，可根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)材料進(jìn)行預(yù)處理以減少焊后應(yīng)力。

綜上可知，在其他條件完全相同的情況下，板材變形程度與焊接功率成正比，與焊接速度成反比。其原因是：功率越高，焊接速度越小，板材在單位時(shí)間內(nèi)吸收的熱能越高，表面溫度提升得越快，導(dǎo)致板材上、下表面溫差增加，溫差的存在導(dǎo)致材料出現(xiàn)焊接應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)中的彎矩應(yīng)力會(huì)引起材料變形。板材的溫度差越大，彎矩應(yīng)力越大，材料的彎曲變形也越大。

3 焊接變形的控制與矯正

3.1 剛性固定法

剛性固定法是一種采用外加固定約束的方法，可減小材料的焊接變形，但是不能完全消除。該方法適用于焊接1Cr17Ni2薄板，并且對(duì)于厚度小于10 mm的板材都適用。外加的固定約束為焊接平臺(tái)上的夾具，如圖6所示。

單個(gè)夾具施加剛性固定的范圍僅為20～60 mm，本次實(shí)驗(yàn)夾取材料兩端各20 mm，模擬位移約束如圖7所示。在添加外界約束力的情況下，以激光功率400 W、焊接速度0.8 m/min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬。實(shí)驗(yàn)時(shí)必須，待焊件完全冷卻后才能去除位移約束，否則會(huì)導(dǎo)致材料在冷卻過程中因殘余應(yīng)力的存在而發(fā)生變形。實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比見表7，1Cr17Ni2材料在施加位移約束后變形量大幅減小，實(shí)驗(yàn)減小的變形量達(dá)到95.3%，有限元模擬中減小的變形量達(dá)到95.9%。

1Cr17Ni2材料Z方向的應(yīng)力分布云圖和Z方向位移分布云圖分別如圖8、圖9所示。

由圖8可知，殘余應(yīng)力集中分布在焊縫周圍，最大值為665 MPa，未達(dá)到母材的屈服強(qiáng)度，在到達(dá)位移約束處后，殘余應(yīng)力基本歸于零，說明外界強(qiáng)制施加的約束明顯減少了殘余應(yīng)力。

由圖9可知，1Cr17Ni2材料整體Z向變形量都很小，最大值不超過0.088 4 mm。其變形趨勢(shì)和未施加夾板約束的趨勢(shì)大體相同，焊縫區(qū)域出現(xiàn)了明顯下凹，如圖10所示，但是在施加夾具后Z向位移大大減小，說明位移約束的施加對(duì)于減少焊接變形具有明顯作用。實(shí)驗(yàn)與模擬不同之處為：實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的變形仍然是V字型變形，原因是實(shí)驗(yàn)使用的夾具并不是完全剛性約束，存在著一定的松動(dòng)。

就模擬結(jié)果而言，焊后殘余應(yīng)力集中在焊縫區(qū)域且大幅降低至母材的屈服極限以下;Z向變形量更是大幅度減小，最大值不超過0.088 4 mm。所以可以認(rèn)為剛性約束對(duì)控制焊接變形具有極好的效果，也證明了剛性固定法對(duì)約束材料的焊接變形具有良好且明顯的作用[15]。

3.2 預(yù)應(yīng)力法

預(yù)應(yīng)力法是指通過外加應(yīng)力的作用或者通過高溫加熱預(yù)先建立起應(yīng)力場(chǎng)，從而減小焊后殘余形變的方法。預(yù)應(yīng)力法的作用方式如圖11所示，外加應(yīng)力可以平行或垂直于焊縫方向。由于事先在焊件兩端添加了外力，所以在焊接接頭移動(dòng)過程中，受焊接熱源影響大的位置更容易發(fā)生屈服，那么材料引起變形的區(qū)域?qū)⒁苑菑椥孕问桨l(fā)生變形，從而有效地抑制材料焊接后的縱向收縮形變[16]。同時(shí)，在焊接變形過程中，由于溫度場(chǎng)分布不均勻產(chǎn)生的應(yīng)力與預(yù)先建立的應(yīng)力場(chǎng)相互重疊，有效地改善了材料整體的形變應(yīng)力分布，待焊縫冷卻后再去除預(yù)先施加的應(yīng)力，應(yīng)力場(chǎng)即使已經(jīng)消除，但是相較于原來的情況，焊接變形會(huì)明顯減少甚至消失，這就是預(yù)應(yīng)力法的作用機(jī)理[17]。

本文在MSC.Marc有限元軟件中模擬了不同拉伸預(yù)應(yīng)力條件下的焊接實(shí)驗(yàn)，在焊接功率為500 W、焊接速度0.6 m/min條件下，分別施加400 N、600 N、800 N的拉力，拉力方向與焊縫垂直。將不同拉力條件下的相同點(diǎn)的變形量進(jìn)行整合，整合結(jié)果如圖12所示。由圖可知，在不同的拉應(yīng)力下，材料焊接后的殘余形變不同，相比于未添加拉力的狀態(tài)，在400 N、600 N、800 N條件下，板材的焊接變形減少量分別為18.5%、24.6%、29.3%。說明在其他條件相同情況下，拉應(yīng)力越大，板材的變形程度越小。

4 結(jié)論

本文通過有限元模擬軟件Msc.Marc對(duì)1Cr17Ni2材料在27SiMn上的包覆焊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)比分析如下：

（1）焊接速率不變、激光功率越大，Z軸變形量越大。實(shí)驗(yàn)與模擬的Z軸變形量均在2 mm左右，實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果之間的誤差約為6.89%。

（2）激光功率不變、焊接速率越小，Z軸變形量越大。實(shí)驗(yàn)與模擬的Z軸變形量均在2 mm左右，實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果之間的誤差約為4.69%。

（3）在激光功率400 W、焊接速度0.8 m/min條件下，在實(shí)驗(yàn)和模擬中利用夾具對(duì)板材進(jìn)行剛性位移約束，焊件變形量分別減少了95.3%和95.9%。同時(shí)通過預(yù)應(yīng)力法對(duì)焊接變形進(jìn)行了模擬矯正，在400 N、600 N、800 N拉力下，板材變形量分別減少了18.5%、24.6%、29.3%。說明通過剛性位移約束和預(yù)先施加應(yīng)力可以有效地減少焊接變形量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳本紅. 不銹鋼包覆焊接設(shè)計(jì)[J]. 焊接技術(shù)，2018，7（1）：51-53.

[2] Chukkan J R，Vasudevan M，Muthukumaran S，et al. Simulation of laser butt welding of AISI 316L stainless steel sheet using various heat sources and experimental validation[J]. Journal of Materials Processing Technology，2015（219）：48-59.

[3] 樊宇，孫強(qiáng)，方榮超，等. AlCoCrCuFeNi高熵合金激光加工組織及性能研究[J]. 精密成形工程，2019，11（6）：178188.

[4] Magnabosco I，F(xiàn)erro P，Bonollo F，et al. An investigation of fusion zone microstructures in electron beam welding of copper-stainless steel[J]. Materials Science & EngineeringA，2006，424（1-2）：163-173.

[5] Huang H，Wang J，Li L，et al. Prediction of laser welding induced deformation in thin sheets by efficient numerical modeling[J]. Journal of Materials Processing Technology，2016（227）：117-128.

[6] Lakshminarayanan A K，Shanmugam K，BalasubramanianV. Effect of Autogenous Arc Welding Processes on Tensile and Impact Properties of Ferritic Stainless Steel Joints[J].Journal of Iron and Steel Research （International），2009，16（1）：62-68.

[7] Y Fan，Z Chen，C H Zhang，et al. A comparison of microstructure and mechanical properties of welded thin Ti6Al4V with three different types of laser[J]. Materials Research Innovations，2015，19（S4）：187-192.

[8] 陳火紅，楊劍，薛小香，等. 新編Marc有限元實(shí)例教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[9] X Jia，X Jie，Z Liu，et al. A new method to estimate heat source parameters in gas metal arc welding simulation process[J]. Fusion Engineering and Design，2014，89（1）：4048.

[10] J Xu，X Jia，Y Fan，et al. Residual stress analyses in a pipe welding simulation：3D pipe versus axi-symmetric models[J]. Procedia Materials Science，2014（3）：511-516.

[11] 樊宇，田文騰，孫智，等. 應(yīng)用脈沖式Nd：YAG激光焊接左心室心臟輔助裝置[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2015（2）：147-152.

[12] 徐成偉，王振全，胡欣，等. 1Cr17Ni2不銹鋼表面激光熔覆層的微觀組織和性能研究[J]. 表面技術(shù)，2011，40（1）：11-13.

[13] Li Peizhi，F(xiàn)an Yu，Zhang Chonghao，et al. Research on heat source model and weld profile for fiber laser welding A304 stainless steel thin sheet[J]. Advances in Materials Science and Engineering，2018（2）：1-12.

[14] 徐杰，李朋朋，樊宇，等. 溫度對(duì)焊接熱模擬X80管線鋼斷裂韌性的影響[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2017，38（1）：22-26.

[15] 賈鳳翔，侯若明，賈曉濱. 不銹鋼性能及選用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[16] 王群，王鯤鵬，王端志，等. 激光熔化沉積快速成形TA15鈦合金電子束焊接頭力學(xué)性能與組織[J]. 焊接技術(shù)，2017（8）：22-25.

[17] 趙登東. 有限元分析模擬焊接過程中的變形和殘余應(yīng)力[J]. 焊接技術(shù)，2018（6）：80-83.