高強鋼激光電弧復合焊接溫度場的數值模擬與試驗研究

周勇，張成文，張國軍，付甲，牛楠，刁路青，王洪鐸

先進焊接與連接

高強鋼激光電弧復合焊接溫度場的數值模擬與試驗研究

周勇1，張成文1，張國軍2，付甲1，牛楠2，刁路青2，王洪鐸1

（1. 西安石油大學 材料科學與工程學院，西安 710065； 2. 遼河油田建設有限公司，遼寧 盤錦 124120）

對厚度為12 mm的HG785D高強鋼進行復合焊接，獲取最佳焊接工藝參數，建立適用于激光-MIG（Metal Inert Gas Welding）復合焊接的熱源模型。采用激光-MIG復合焊接方法進行焊接試驗，建立適用于HG785D高強鋼激光-MIG復合焊接的“高斯錐形體+均勻錐形體+高斯柱形體”復合熱源模型，描述復合熱源的能量分布，運用ANSYS有限元分析軟件，對HG785D高強鋼激光-MIG復合焊接溫度場進行數值模擬。在最佳工藝參數下，焊縫的成形性良好，未出現裂紋、氣孔和未焊透等缺陷；模擬與試驗獲得的焊接接頭宏觀形貌及特征點溫度循環曲線規律相吻合。獲得了適合12 mm厚HG785D高強鋼的最佳焊接工藝參數，復合熱源模型適用于高強鋼激光-MIG復合焊接溫度場模擬。

激光-MIG復合焊接；高強鋼；數值模擬；溫度場

HG785D鋼是一種低合金高強鋼，具有強度高、韌性好、重量輕等優點[1]，被廣泛應用于船舶、橋梁和機械制造等領域[2-3]。一般采用傳統熔化焊對其進行焊接，存在熔深淺、焊接變形大等問題。當采用單一激光焊接時，由于熔池橋搭能力差、焊縫組對間隙要求高，因此，焊接質量較難保證[4-5]。激光電弧復合焊接（Hybrid Laser Arc Welding，HLAW）是一種復合熔化焊接技術，可解決以上問題。其熱源通過激光和電弧耦合而成，具有能量高、電弧穩定、焊接變形小和熔池橋搭能力強等優點，適合中厚板高強鋼的焊接[6-7]。激光電弧復合焊接工藝參數較多，僅采用試驗進行研究，成本高、效率低。近年來，焊接過程的有限元數值模擬越來越受到研究者們的青睞[8-10]。陳柏炎等[11]利用ANSYS有限元軟件對2219鋁合金（厚度為6 mm）的激光-MIG復合焊接溫度場進行了數值模擬研究，結果表明，模擬的焊縫宏觀形貌與試驗結果基本相吻合。同樣，許新猴等[12]利用ANSYS有限元軟件對厚度均為5 mm的A514與D500異種鋼的激光-GMAW復合焊接過程進行了數值模擬研究，結果表明，模擬獲得的接頭宏觀形貌與試驗結果接近。目前，關于高強鋼激光-MIG復合焊溫度場數值模擬的研究報道較少。

文中以HG785D高強鋼為研究對象，擬采用激光-MIG復合焊接方法進行焊接試驗，以獲得最佳焊接工藝參數?；谠囼瀰担肁NSYS有限元分析軟件對高強鋼的激光-MIG復合焊接溫度場進行數值模擬，隨后對比模擬與試驗得到的接頭橫截面宏觀形貌及特征點熱循環曲線，以驗證建立的有限元模型的準確性。

1 試驗

試驗用高強鋼為HG785D，主要化學成分見表1。對接試板單側的長×寬×高為300 mm×150 mm× 12 mm，接頭形式為對接，開設X型坡口，坡口角度為35°，鈍邊為2 mm，對口間隙為0.5 mm。焊絲型號為ER80-G，直徑為1.2 mm，其主要化學成分見表2。保護氣體選用80%Ar+20%CO2的混合氣（體積分數）。

表1 HG785D高強鋼化學成分（質量分數）

表2 ER80-G焊絲化學成分（質量分數）

激光-MIG復合焊接系統由IPG公司的YLS- 4000型光纖激光器、KEMPPI公司的Kemp Arc SYN400型MIG焊機和安川公司YASKAWA HP20D型機器人組成，其中光纖激光器額定功率為4 kW，波長為1070～1080 nm，焦點直徑為0.6 mm。

2 試驗方案與有限元模型的建立

2.1 試驗方案

試驗前，先用丙酮清洗試板，除去表面油污，然后用砂紙清除表面氧化物，露出金屬光澤。其次對試板兩端進行焊接點固，然后水平固定于焊接工作臺上。同時，在試板表面設定和特征點（和特征點分別位于距離焊接起始端150 mm，距坡口邊緣6 mm和3 mm處），焊接時采用熱電偶對特征點溫度進行監測，如圖1所示。激光-MIG復合焊接試驗采用激光在前、電弧在后的方式進行焊接。在焊接過程中，激光垂直作用于工件上，MIG焊槍與激光焊槍呈30°夾角。焊接工藝參數：焊接電流為185 A，焊接電壓為24 V，氣體流量為25 L/min，光絲距離為2 mm，離焦量為?2 mm，正面和反面的焊接速度分別為840，800 mm/min，激光功率分別為3.5，3 kW。焊后垂直于焊接方向線切割金相試樣，經粗磨、細磨和機械拋光后，采用5%（體積分數）的硝酸乙醇溶液對試樣表面進行侵蝕。采用Neophot-21型光學顯微鏡觀察接頭宏觀形貌。

圖1 特征點分布示意（mm）

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 三維模型的建立及網格劃分

三維模型依據實際焊接試板建立，尺寸為300 mm×150 mm×12 mm，焊縫總長度為300 mm。在距離焊縫較遠處，溫度變化不明顯，因此，采用較稀疏的網格。在焊縫及其附近處，溫度變化明顯，因此，采用較密的網格[13]。網格劃分如圖2所示，共有128 466個節點，45 124個單元。

2.2.2 HG785D高強鋼的熱物理性能參數

材料熱物理性能參數是熱分析的基礎，直接影響復合焊接溫度場的最終模擬結果。在對復合焊接溫度場模擬時，需要確定以下熱物理性能參數（見表3）。試件的初始溫度、材料密度、彈性模量、熱膨脹系數、比熱容和熱導率。其中HG785D高強鋼試件的初始溫度（25 ℃）和密度（7750 kg/m3）為常數。當溫度為0～1100 ℃時，其他熱物理性能參數采用實測數據，當溫度高于1100 ℃時，其他熱物理性能參數進行插值[14]。

圖2 網格劃分示意

表3 熱物理性能參數

2.2.3 熱源模型的描述

焊接熱源模型的建立原則：在實際的熱輸入條件下，模擬的焊縫熔合線與實際焊縫熔合線相吻合，則建立的熱源模型準確[12,15]。激光電弧復合焊接過程中不僅需要考慮激光與電弧之間的耦合效應，還需注意激光帶來的“小孔效應”[16]。文中電弧熱源為高斯錐形體熱源和均勻錐形體熱源，激光熱源為高斯柱形體熱源。各熱源模型的能量分布利用式（1—3）計算。

1）高斯錐形體熱源[15]。

2）均勻錐形體熱源[15]。

3）高斯柱形體熱源[16-17]。

(3)

2.2.4 初始條件和邊界條件

將初始條件設定為常溫（25 ℃）。邊界條件的設定接近實際情況，由于試板下面有墊板，試板與墊板之間會發生熱傳導，忽略墊板的溫度變化，對試板下表面施加與其他表面相同的自然對流系數和熱輻射系數。模擬中施加的自然對流系數為5×10?4W/ (mm2?℃)，熱輻射系數為9×10?3W/(mm2?℃)。

3 結果分析與討論

3.1 焊接接頭宏觀形貌及特征點熱循環曲線分析

焊接接頭橫截面宏觀形貌如圖3所示，焊縫的成形性良好，未出現明顯的裂紋、氣孔和未焊透等缺陷，接頭中的焊核區和熱影響區清晰可見。正面焊接時激光功率更大，使得大量金屬蒸汽發生電離，進而產生了大量的等離子體，加劇了電弧的燃燒，產生了更深的小孔，增加了熔深。此外，隨著激光對熔池的攪拌作用加劇，熔池的流動性變得更好，進而導致熔寬增加[18]。

圖3 焊接接頭橫截面宏觀形貌

焊接時，通過熱電偶測溫法對和特征點的溫度變化規律進行測試，獲得的熱循環曲線如圖4所示。從圖中可以看出，熱源未作用之前，，特征點的溫度與周圍介質的溫度相同，在激光電弧復合熱源作用的瞬間，溫度迅速上升，特征點處升至最高溫度（313 ℃）用時5 s，特征點處升至最高溫度（884 ℃）用時4 s，當復合熱源離開后，溫度迅速下降。

圖4 特征點熱循環曲線

3.2 溫度場模擬結果分析

文中采用“生死單元”將整個雙面焊接過程分為122步，正面60步，每步加載時間為0.35 s，背面60步，每步加載時間為0.37 s。第61步和第122步用來對焊接過程進行冷卻，時間設置為100 s。圖5為模擬焊接過程的試板正面溫度場分布云圖，由圖5a第1步加載溫度場云圖可見，激光-MIG復合焊接過程中熱影響區較小，焊縫附近等溫線密集，溫度場梯度大，此時最高溫度為3842.6 ℃。由圖5b第60步加載溫度場云圖可見，焊接時試板快速升溫、緩慢降溫，高溫區形狀飽滿，最高溫度達3871 ℃，熱源后方等溫線稀疏，溫度場梯度小，這是由于焊接過程中，熱源后方金屬內部溫度向周圍均勻擴散，最終因與周圍環境的對流和輻射作用使得自身冷卻。焊接過程完成后，試板恢復初始時刻溫度，此時溫度場云圖如圖5c所示。

圖5 試板正面溫度場分布云圖

3.3 模擬結果與試驗結果對比分析

3.3.1 模擬與試驗的焊接接頭宏觀形貌對比

截取=10 s（焊接已經穩定）時的模擬焊縫橫截面溫度場云圖，與試驗焊縫進行對比，見圖6，可以發現模擬與試驗獲得的接頭橫截面宏觀形貌相吻合，均呈典型的上寬下窄的“釘形”焊縫。焊縫模擬尺寸：熔深為6.94 mm，熔寬為3.28 mm。焊縫實際尺寸：熔深為6.91 mm，熔寬為3.17 mm，模擬與試驗獲得的焊縫熔深及熔寬誤差均小于4%。同時可以看出，在模擬過程中，激光電弧復合焊接熱源中心的最高溫度達到了2200 ℃以上，接近高強鋼的沸點，這有利于小孔的形成，并可實現大熔深焊接[19]。模擬結果與試驗結果吻合，驗證了該有限元模型的準確性。

3.3.2 模擬與試驗特征點溫度循環曲線對比

由圖7可以看出，模擬與試驗得到的和特征點熱循環曲線的變化規律吻合，特征點處的模擬最高溫度和試驗最高溫度分別為325，313 ℃，特征點處的模擬最高溫度和試驗最高溫度分別為910，884 ℃，，特征點的模擬與試驗最高溫度誤差均小于4%，表明所選熱源模型及設置的邊界條件適用于高強鋼激光-MIG復合焊接溫度場的數值模擬。這進一步驗證了該有限元模型的準確性。

圖6 模擬與試驗焊接接頭橫截面宏觀形貌對比

圖7 特征點熱循環曲線對比

4 結語

通過對HG785D高強鋼進行激光-MIG復合焊接試驗，獲得了最佳焊接工藝參數?；谠囼瀰?，利用ANSYS有限元分析軟件對高強鋼激光-MIG復合焊接溫度場進行數值模擬，隨后對比模擬與試驗得到的接頭橫截面宏觀形貌及特征點熱循環曲線，得到了以下3點結論。

1）對HG785D高強鋼進行激光-MIG復合焊接試驗，結果表明，當激光功率為3～3.5 kW時，焊接電流為185 A，焊接電壓為24 V，焊接速度為800～ 840 mm/min的條件下，焊縫的成形性良好。

2）電弧熱源模型選用高斯錐形體熱源和均勻錐形體熱源，高斯柱形體熱源作為激光熱源的復合熱源模型，該模型獲得的接頭橫截面宏觀形貌及特征點熱循環曲線與試驗結果吻合。

3）在復合焊接過程中，熱源中心的最高溫度達到了2200 ℃以上，達到了高強鋼的沸點，這有利于小孔的形成，并可實現大熔深的焊接。

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Numerical Simulation and Experimental Study of Temperature Field of Hybrid Laser Arc Welding Joint of High Strength Steel

ZHOU Yong1, ZHANG Cheng-wen1, ZHANG Guo-jun2, FU Jia1, NIU Nan2, DIAO Lu-qing2, WANG Hong-duo1

(1. School of Materials Science and Engineering, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China; 2. Liaohe Oilfield Construction Company Limited, Panjin 124120, China)

The work aims to weld HG785D high strength steel with a thickness of 12 mm by hybrid welding and obtain the optimal welding process parameters, so as to establish the heat source model suitable for laser-MIG (Metal Inert Gas Welding) hybrid welding. The laser-MIG hybrid welding method was used for welding experiment, and a Gaussian cone + uniform cone + Gaussian cylindrical hybrid heat source model suitable for laser-MIG hybrid welding of HG785D high strength steel was established to describe the energy distribution of the hybrid heat source. The temperature field of laser-MIG hybrid welding of HG785D high strength steel was simulated by ANSYS finite element analysis software. Under the optimal process parameters, the weld was well formed without any cracks, pores and incomplete penetration. The macroscopic morphology of the hybrid welded joint and the temperature cycle curve of the characteristic point obtained by experiment and simulation were consistent. The optimal welding process parameters suitable for 12 mm thick HG785D high strength steel are obtained, and the hybrid heat source model is suitable for the temperature field simulation of laser-MIG hybrid welding of high strength steel.

laser-MIG hybrid welding; high strength steel; numerical simulation; temperature field

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.019

TG456

A

1674-6457(2022)01-0153-06

2021-06-07

國家自然科學基金（51905427）；西安石油大學“材料科學與工程”省級優勢學科資助項目（YS37020203）；西安石油大學研究生創新與實踐能力培養計劃資助項目（YCS20212113）

周勇（1963—），男，博士，教授，主要研究方向為石油工程材料焊接與表面工程技術。

王洪鐸（1976—），男，博士，高級實驗師，主要研究方向為金屬材料焊接及表面工程。