基于SYSWELD激光焊焊接應力應變場數值模擬

鄭旺旺

（中國科技大學精密機械與儀表系，合肥 230026）

0 引言

根據ITER校正場線圈盒結構特點[1]，選擇激光焊作為焊接方法，焊縫熔深較大，而316LN奧氏體不銹鋼導熱系數小，線膨脹系數大，焊接變形大[2]。為最大限度地減小焊接殘余應力與焊接變形，控制焊接質量，本文采用數值模擬的方法對應力應變場進行分析。

1 試驗方法和材料

建立316LN奧氏體不銹鋼平板對接焊模型，工件為2塊尺寸為100 mm×50 mm×10 mm平板，焊接方法采用激光填絲焊，焊絲為伯合樂ER316LMn，直徑為φ1.2 mm，坡口形式為帶鈍邊的V型坡口，坡口由鈍邊層、填充層及蓋面層三部分組成。焊接工藝參數如表1所示。模型建立后劃分網格，輸入工藝參數，完成熱源校核并定義邊界條件，選擇3D高斯圓錐形熱源[3]進行仿真分析。

表1 焊接工藝參數

2 應力場

2.1 焊接過程應力分布

焊接應力應變場仿真求解完成后，讀取焊接過程中某一時刻的應力場分布情況。圖1分別顯示工件焊接1800 s的X、Y、Z三個方向的等效應力云圖。其中，由于焊縫冷卻時的橫向收縮造成的焊縫垂直方向的應力稱為橫向應力（用σx表示）；主要由于焊縫冷卻時的縱向收縮造成的沿焊縫方向的應力稱為縱向應力（用σy表示）。

從圖1可知，焊縫及其附近應力較高，而遠離焊縫的區域應力較低。焊縫的兩端由于受試板兩端約束的作用以及焊縫縱向收縮的影響，產生較高的壓應力。焊縫及其熱影響區由于降溫冷卻收縮會產生很大的拉應力。與焊縫兩端產生的壓應力保持平衡。應力分布情況與文獻數據相一致。

圖1 1800 s的X、Y、Z方向的主應力云圖

2.2 焊接殘余應力分布

在Visual Environment中提取沿焊縫方向上AB線、垂直于焊縫方向EF線以及厚度方向CD線等特征曲線，焊縫方向AB線（在焊縫上表面下2 mm左右的深度）、垂直焊縫中心線方向的EF線以及鋼板厚度方向CD線。

圖2 模型提取特征曲線示意圖

1）AB線的殘余應力分布（沿縱向方向）。焊縫縱向冷卻收縮，沿AB線的sigma22沿縱向的分布以拉應力為主，中間出現一段穩定的拉應力值，最大值達到250 MPa左右，達到材料的屈服強度，與文獻[4]中研究結果一致。趨于焊縫兩端拉應力急劇減小，兩端的應力值接近0 MPa。縱向應力兩端以壓應力為主，中間區域受拉應力且數值不大。

圖3 沿焊縫中心線AB殘余應力分布

2）EF線的殘余應力分布（沿橫向方向）。

EF線上縱向殘余應力的曲線分布呈單峰形態，焊縫中心處，殘余應力為負值，表面中心處受壓，殘余應力為壓應力。從中心處到焊縫的焊趾，壓應力轉變為拉應力，逐漸增大，拉應力在距焊縫中心9 mm位置上升到峰值185 MPa。接著，拉應力急劇下降為0直至轉化為壓應力，EF兩側的壓應力可能是焊接試板兩側受約束造成。

圖5 CD線縱向殘余應力曲線

EF線上的橫向殘余應力在垂直焊縫方向上的分布曲線，從圖中可以看出，橫向殘余應力在焊縫中心處約為220 MPa，沿著焊縫熔池寬度方向逐漸增大，至距離中心線3～4 mm處達到應力最大值290 MPa，然后拉應力逐漸減小，在鋼板寬度方向10 mm附近轉變為壓應力并不斷增大，隨后在距離中心線15 mm附近應力發生減小現象，直至最后。曲線表明，EF方向橫向拉、壓應力在焊縫附近發生顯著變化，而在遠離焊縫區域變化不大，一直呈現較低壓應力狀態。

3）CD線的殘余應力分布（沿厚度方向）。

CD線的縱向殘余應力呈中間為壓應力、兩邊為拉應力的雙波分布，在板厚3 mm和10 mm方向上拉應力最大，達到150 MPa，而在板厚7 mm方向上呈現壓應力最大，數值為－180 MPa，整體上，縱向殘余應力圍繞板厚中心方向上呈對稱分布。而在圖6～圖8中，橫向殘余應力則沒有規律，板厚3 mm方向上縱向應力達到最大（370 MPa），同樣在7 mm方向上應力最小（100 MPa），隨后應力逐漸增大，并發生緩慢波動，但是整體上，橫向應力一直呈現拉應力，無壓應力存在。

3 焊接變形

3.1 焊接變形仿真分析

圖6 不同時刻工件焊接變形云圖

仿真可以顯示焊接過程中某一時刻變形的狀況，圖5分別表示工件在600、1200、1800 s時刻放大5倍的變形云圖。其中：第一道焊縫焊接完成后的焊接變形云圖顯示的最大焊接變形為0.37 mm；第二道焊縫焊接完成后的焊接變形云圖顯示最大焊接變形為0.73 mm；第三道焊縫焊接完成后的焊接變形云圖，焊接變形達到0.94 mm。

在縱向和橫向上：焊縫冷卻后產生了殘余變形，焊接變形沿垂直焊縫方向由中心向兩側均勻變化，焊縫中心處變形最大，兩側遠離焊縫方向變形逐漸遞減，其原因是焊接加熱過程中，焊件局部區域（如熔池和熱影響區）的材料的熱脹冷縮受到四周約束的限制作用，從而產生了不均勻的壓縮變形，同樣在焊后冷卻過程中，發生壓縮變形的材料受到相鄰金屬和外界剛性約束的作用而不能自由收縮，并在某種程度上受到拉伸而卸載，但因拉伸后卸載的塑性變形不足以抵消之前產生的焊接過程變形，所以在焊后熱過程完成以后，工件宏觀上產生了縱向和橫向的收縮變形。在厚度方向上，厚板單側多層焊接中，焊縫正面的橫向收縮量大，背面收縮量因熱影響少而相對較小，這樣工件的橫向收縮的不均勻分布造成了厚度方向上的角變形。多層多道焊中，每焊完一層，殘余角變形逐漸增大。

3.2 焊接變形測量和分析

利用焊縫檢測尺、游標卡尺等專用測量工具對焊接前后工件尺寸進行測量，對比焊接前后工件外形尺寸變化情況。對于表2中項目A、B，究其原因為角變形引起，實際值相比較理論值的變化如圖7所示，角度變化了4°，與軟件仿真結果相符。

圖7 工件實測變形與理論輪廓對比

對于檢測項目C、D，究其原因則為焊接塑性變形和冷熱收縮導致試件橫向和縱向收縮產生的尺寸變化，即產生的外形的收縮變形，而從縱向實際測量值可以看出，焊縫側的尺寸小于遠離焊縫側的尺寸，這與仿真中的云圖中焊縫近的位置變形大相一致，整體上看，工件變形測量結果與仿真分析結果一致。

4 結 語

本文對奧氏體不銹鋼316LN對接接頭進行了數值模擬，分析了焊接應力場、殘余應力分布以及焊接變形情況。結論如下：本文中殘余應力的分布規律及焊接變形的分析結果與文獻資料相符。表明采用三維有限元模擬技術可以掌握激光焊接應力應變場的分布規律和變化特點，為焊接變形的控制和焊接質量的提高提供理論依據。