T型接頭激光穿透焊焊接變形及殘余應(yīng)力研究

宋 晟 ，李冰雪 ，萬 斌 ，陸 皓

（1.上海民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造系，上海200232；2.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

0 前言

近年來，隨著節(jié)能降排和環(huán)保要求的提高，各行各業(yè)對(duì)材料和設(shè)備的輕量化要求越來越高，尤其是運(yùn)輸行業(yè)。對(duì)于船舶運(yùn)輸行業(yè)，采用輕量化設(shè)計(jì)不僅能降低材料損耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高船舶的運(yùn)輸能力，還能降低能耗，減少運(yùn)營(yíng)成本，降低環(huán)境污染。相比傳統(tǒng)的鋼板結(jié)構(gòu)，采用三明治結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的比剛度和比強(qiáng)度，滿足日益增長(zhǎng)的節(jié)能和環(huán)保要求，因此廣泛應(yīng)用于航海、航空等領(lǐng)域[1-2]。

三明治結(jié)構(gòu)通常由上、下面板和中間筋板組成，通過焊接將上面板、筋板和下面板進(jìn)行連接并形成一個(gè)雙表面的剛性結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用高強(qiáng)鋼材料時(shí)，三明治結(jié)構(gòu)能具有較高的剛度和強(qiáng)度。此外，在相同剛度、強(qiáng)度下，三明治結(jié)構(gòu)能夠降低50%質(zhì)量，并提高結(jié)構(gòu)的減震性能[3]。

目前，對(duì)于高強(qiáng)鋼三明治結(jié)構(gòu)的研究主要集中在失效分析以及整體力學(xué)性能方面，對(duì)于焊接過程中的應(yīng)力應(yīng)變行為及其影響因素研究較少[4]。焊接變形對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精度影響顯著，而焊接殘余應(yīng)力對(duì)三明治結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、失效以及壽命影響較大。近年來，采用有限元仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法來研究焊接變形和殘余應(yīng)力分布特征成為主流[5]。

本研究在試驗(yàn)和有限元仿真的基礎(chǔ)上，提出了基于高斯熱源模型和三維椎體熱源模型的混合熱源模型，并驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。在有限元模擬和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過引入界面單元模型[5]，討論在結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性和激光光束偏移的情況下，三明治結(jié)構(gòu)激光穿透焊的變形和殘余應(yīng)力分布特征，并探討了T型接頭激光穿透焊焊接變形和殘余應(yīng)力的影響因素。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料Weldox960為屈服強(qiáng)度960 MPa的低合金高強(qiáng)鋼，元素含量為 w（C）=0.18%，w（Mn）=1.37%，w（Ni）=0.8%，w（Cr）=0.17%，w（Mo）=0.5%和w（Si）=0.32%。Weldox960因其優(yōu)異的焊接性能和力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于船舶制造、起重機(jī)等行業(yè)。Weldox960鋼板供貨狀態(tài)為淬火后低溫回火，其金相組織為較細(xì)的板條狀馬氏體和極少量貝氏體。其物理性能和力學(xué)性能如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方案

采用德國(guó)TRUMPF公司生產(chǎn)的TLF15000型CO2激光器，其激光波長(zhǎng)10.6μm，雷利長(zhǎng)度16.1mm，焦點(diǎn)半徑0.43 mm，激光焦距350 mm，最大輸出功率為15 kW，K系數(shù)為0.26。

三明治結(jié)構(gòu)及其焊接形式如圖2所示，焊接時(shí)采用側(cè)吹氣對(duì)工件表面進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)氣體流量為28 L/min。

1.3 焊接變形及殘余應(yīng)力檢測(cè)

圖1 Weldox960材料性能參數(shù)Fig.1 Material properties of Weldox960

試驗(yàn)完成后，采用三坐標(biāo)儀測(cè)量上述三明治結(jié)構(gòu)的整體焊接變形。同時(shí)，基于激光焊接焊縫寬度較小的特點(diǎn)，采用X射線衍射法測(cè)量其焊接殘余應(yīng)力。X射線衍射技術(shù)具有掃描斑點(diǎn)小、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，在殘余應(yīng)力測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[6-7]。其X射線偏離角度ψ與材料楊氏模量E、泊松比v、晶面間距d0以及XRD所測(cè)晶面間距di存在以下關(guān)系

當(dāng)σΦ與射線入射方向無關(guān)時(shí)，可認(rèn)為σΦ=σ1=σ2，此時(shí)式（1）可轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

對(duì)式（2）進(jìn)一步推導(dǎo)，可得到式（3）和式（4）

測(cè)量殘余應(yīng)力時(shí)，選取一定的布拉格角2θ，使用X射線進(jìn)行連續(xù)掃描，即可得到材料的晶面間距，進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)的殘余應(yīng)力值。

圖2 三明治結(jié)構(gòu)及焊接形式示意Fig.2 Schematic map of sandwich structure and welding method

2 激光穿透焊有限元模擬

2.1 熱源模型

激光焊接速度快、效率高、焊接變形小，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。采用有限元仿真來分析激光焊接過程中的變形及殘余應(yīng)力分布狀態(tài)是一種有效的分析手段。然而，由于激光焊接能量密度分布的特點(diǎn)，常規(guī)熱源模型在描述激光焊接時(shí)存在較大誤差。為更加準(zhǔn)確地描述激光焊接過程中的能量分布狀態(tài)，本研究在高斯熱源模型和三維椎體熱源模型的基礎(chǔ)上，提出針對(duì)激光焊接特點(diǎn)的三維混合熱源模型，如式（5）所示。

式中 f1為高斯熱源能量比例；r0為高斯熱源的熱源參數(shù)；zi、ze、re和 ri為三維錐形熱源模型的位置參數(shù)。在進(jìn)行仿真時(shí)，根據(jù)激光焊接參數(shù)確定熱源模型參數(shù)。

2.2 三明治結(jié)構(gòu)有限元模型

根據(jù)三明治結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征，建立了如圖3所示的兩種有限元模型。圖3a為對(duì)稱結(jié)構(gòu)模型，圖3b為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)模型。兩種結(jié)構(gòu)在焊接過程中存在不同的約束邊界條件，可能產(chǎn)生不同的焊接變形和殘余應(yīng)力。此外，在實(shí)際焊接過程中，激光束可能發(fā)生一定的偏移，如圖4所示。激光束的偏移也會(huì)影響三明治結(jié)構(gòu)的焊接變形和殘余應(yīng)力，同時(shí)由于熔池形貌的變化，還會(huì)對(duì)三明治結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

圖3 三明治結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.3 Finite element model of sandwich structure

3 結(jié)果及討論

3.1 溫度模擬結(jié)果

圖4 激光束偏移示意Fig.4 Sketch map of the laser beam offset

為了驗(yàn)證激光焊接混合熱源模型的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了11組不同焊接參數(shù)下的激光焊接試驗(yàn)，如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)混合熱源模型進(jìn)行反演計(jì)算，得到不同焊接參數(shù)時(shí)的溫度分布結(jié)果。

不同焊接參數(shù)（功率及離焦量）時(shí)的焊縫形狀如圖5所示，圖片編號(hào)與表1中的編號(hào)一致。對(duì)比不同參數(shù)時(shí)的焊縫形狀發(fā)現(xiàn)，離焦量對(duì)焊縫熔深影響較大，離焦量為-4 mm時(shí)熔深最大，4 mm和6 mm時(shí)熔深最小。同時(shí)，隨著功率的增加，焊縫熔深和焊縫寬度均有所增加。此外，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較好，進(jìn)一步證明了三維混合熱源模型能夠準(zhǔn)確地描述激光焊接過程中的能量密度分布。

表1 不同參數(shù)焊接試驗(yàn)及編號(hào)Table 1 Welding experiment and test number under different welding parameters

圖5 不同焊接參數(shù)時(shí)的熔池形狀Fig.5 Molten pool under different welding parameters

3.2 激光焊變形結(jié)果

三明治結(jié)構(gòu)激光焊接變形的試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果如圖6所示。為了準(zhǔn)確描述激光焊接過程中接頭處的力學(xué)性能，模型中引入界面單元模型[5]。從試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的對(duì)比可知，不考慮界面單元模型時(shí)，整體焊接變形較大，而考慮界面單元模型的仿真結(jié)果則與實(shí)驗(yàn)值較為接近。通過引入界面單元模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)T型接頭焊接過程中力學(xué)性能變化的描述，因此與實(shí)際結(jié)果吻合度較好。同時(shí)，采用激光穿透焊時(shí)，長(zhǎng)160 mm的三明治板的縱向撓曲變形僅為0.5 mm，橫向變形僅為0.1 mm。與傳統(tǒng)T型接頭焊接方式相比，變形量顯著減小。

當(dāng)模型中不考慮界面單元模型時(shí)，其焊后縱向撓曲變形約為0.25 mm，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別較大，而橫向變形結(jié)果也呈相同趨勢(shì)。這是因?yàn)樵趯?shí)際焊接過程中，三明治的筋板和面板僅產(chǎn)生部分熔合，其熔合寬度可參考圖5，且其接頭強(qiáng)度在焊接過程中不斷變化。在不考慮界面單元模型時(shí)，無法描述焊接過程中接頭強(qiáng)度的變化，以及熔合寬度對(duì)接頭強(qiáng)度的影響，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)接頭強(qiáng)度值偏大，結(jié)構(gòu)剛度增大，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果較實(shí)際結(jié)果偏小。

圖6 三明治結(jié)構(gòu)焊后變形Fig.6 Deflections of sandwich structure after laser welding

3.3 激光焊殘余應(yīng)力結(jié)果

三明治結(jié)構(gòu)焊接的不對(duì)稱性特點(diǎn)產(chǎn)生了約束不對(duì)稱的邊界條件，從而導(dǎo)致變形和殘余應(yīng)力分布不對(duì)稱性。對(duì)稱約束和不對(duì)稱約束焊后縱向殘余應(yīng)力分布結(jié)果如圖7所示，兩種模型的最大縱向殘余應(yīng)力均出現(xiàn)在焊縫兩側(cè)，而焊縫中心的殘余應(yīng)力相對(duì)較小。焊接殘余應(yīng)力主要由熱應(yīng)力和組織應(yīng)力引起，其中冷卻時(shí)的熱應(yīng)力為拉應(yīng)力，而馬氏體或貝氏體相變產(chǎn)生的應(yīng)力為壓應(yīng)力。在焊接冷卻過程中，焊縫中心由于發(fā)生馬氏體相變引起體積膨脹產(chǎn)生相變應(yīng)變，降低了該處的殘余應(yīng)力水平。

同時(shí)，對(duì)稱約束結(jié)構(gòu)在焊接冷卻過程中的邊界約束較大，而非對(duì)稱約束結(jié)構(gòu)存在一個(gè)自由端，因此，對(duì)稱結(jié)構(gòu)在冷卻過程中受到的約束較大，產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力更大。

圖7 三明治結(jié)構(gòu)縱向殘余應(yīng)力分布Fig.7 Longitudinal stress distribution after laser welding

在實(shí)際焊接過程中，激光束可能產(chǎn)生偏移，從而導(dǎo)致T型接頭處溫度分布發(fā)生變化，如圖8所示。

圖8 激光焊溫度分布Fig.8 Temperature distribution of laser welding

不對(duì)稱結(jié)構(gòu)發(fā)生偏移后的Von Mises應(yīng)力分布如圖9所示。在激光束不發(fā)生偏移的情況下，Von Mises應(yīng)力峰值出現(xiàn)在焊縫兩側(cè)，與縱向殘余應(yīng)力分布狀況一致，主要集中在面板和筋板的接觸面根部。激光束發(fā)生偏移時(shí)，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在面板和筋板接觸面的偏移一側(cè)，且應(yīng)力值更大。

不對(duì)稱約束和對(duì)稱約束結(jié)構(gòu)在激光束不發(fā)生偏移和發(fā)生偏移情況下的縱向殘余應(yīng)力如圖10所示。與Von Mises應(yīng)力結(jié)果類似，當(dāng)激光束偏移時(shí)，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力更大，且主要集中在焊縫區(qū)域以及面板和筋板接觸面的偏移一側(cè)。

在激光束不偏移的情況下，對(duì)稱結(jié)構(gòu)約束和不對(duì)稱結(jié)構(gòu)約束的殘余應(yīng)力結(jié)果如圖11所示。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)稱約束情況下焊縫中心的殘余應(yīng)力較小，約為100 MPa。非對(duì)稱約束時(shí)焊縫中心的殘余應(yīng)力較大，約為200 MPa?？梢姾附訒r(shí)約束狀態(tài)對(duì)殘余應(yīng)力的影響較為明顯。同時(shí)，無論對(duì)稱與否，最大縱向殘余應(yīng)力均出現(xiàn)在焊縫兩側(cè)，且其結(jié)果較為接近。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的吻合度較好，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元仿真的準(zhǔn)確性。

圖9 Von Mises應(yīng)力分布Fig.9 Distribution of Von Mises stress

圖10 縱向應(yīng)力分布Fig.10 Distribution of longitudinal stress

4 結(jié)論

圖11 三明治結(jié)構(gòu)激光焊縱向殘余應(yīng)力Fig.11 Longitudinal residual stress distribution after laser welding

（1）提出了基于高斯熱源模型和三維錐體熱源模型的混合熱源模型，能夠有效模擬激光焊接過程中熱流的分布狀態(tài)。

（2）采用激光焊接能夠顯著減小三明治結(jié)構(gòu)的焊接變形，長(zhǎng)度160mm的三明治板的縱向撓曲焊接變形為0.5 mm，橫向變形為0.1 mm。同時(shí)，界面單元模型能夠更加準(zhǔn)確地描述激光穿透焊的焊接變形。

（3）激光焊接能夠顯著減小焊接變形，但不能減小焊接殘余應(yīng)力。無論對(duì)稱與否，最大縱向殘余應(yīng)力均出現(xiàn)在焊縫兩側(cè)，焊縫中心殘余應(yīng)力則相對(duì)較小。