焊前預(yù)熱對(duì)康復(fù)器械用鋁合金焊接殘余應(yīng)力的影響

梁 巖，王孟君，王 劍，程 軒，葛 鵬

（1.中南大學(xué) 有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.湖南健行康復(fù)器材科技發(fā)展有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410015）

焊前預(yù)熱對(duì)康復(fù)器械用鋁合金焊接殘余應(yīng)力的影響

梁 巖1，2，王孟君1，王 劍2，程 軒1，2，葛 鵬1，2

（1.中南大學(xué) 有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.湖南健行康復(fù)器材科技發(fā)展有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410015）

運(yùn)用Abaqus有限元軟件對(duì)康復(fù)器械用6061-T6薄板的MIG對(duì)接焊進(jìn)行模擬，通過盲孔法測(cè)量實(shí)際焊接試樣殘余應(yīng)力。研究了不同預(yù)熱焊接工藝對(duì)鋁合金焊接殘余應(yīng)力的影響。室溫下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性。模擬結(jié)果表明，焊前預(yù)熱能夠明顯減小焊縫附近的縱向殘余應(yīng)力，對(duì)橫向殘余應(yīng)力影響較?。活A(yù)熱溫度越高，殘余應(yīng)力消除效果越好；預(yù)熱后采用降低熱輸入的焊接工藝的消除殘余應(yīng)力效果要好于預(yù)熱后增加焊接速度的焊接工藝。

焊前預(yù)熱；殘余應(yīng)力；數(shù)值模擬

0 前言

6061由于其較高的比強(qiáng)度、耐腐蝕性能、抗疲勞特性[1]，被廣泛應(yīng)用于輪椅、助行器、康復(fù)機(jī)器人的生產(chǎn)與制造當(dāng)中[2]。但鋁合金康復(fù)器械在焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力不僅對(duì)材料的斷裂強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度以及耐腐蝕性能有很大的影響，還嚴(yán)重地影響了結(jié)構(gòu)的機(jī)加工精度和構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性[3]。本研究以ABAQUS有限元軟件為平臺(tái)，通過FORTRAN語言編寫上下雙橢球[4]焊接熱源程序，分別對(duì)20℃以及預(yù)熱100℃、200℃下6061-T6薄板不同焊接參數(shù)的MIG對(duì)接焊接進(jìn)行模擬，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算模型的有效性，研究焊前預(yù)熱溫度對(duì)鋁合金焊接殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，確定了最佳的焊接工藝。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用MIG焊接方法對(duì)6061-T6鋁合金薄板進(jìn)行對(duì)接焊。填充焊絲為ER5356，直徑為1.2 mm，焊接電壓為150 V，焊接電流為20 A，焊接速度為5 mm/s。兩塊薄板尺寸均為120 mm×200 mm×4 mm，坡口為I型坡口，焊接后尺寸為240 mm×200 mm×4 mm。焊接前對(duì)板材進(jìn)行充分退火，以消除自身殘余應(yīng)力，再重新熱處理至T6態(tài)。不使用夾具束縛焊接。實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 6061-T6薄板焊接接頭Fig.1 6061-T6 Al alloy thin-plate joints

采用HK21B殘余應(yīng)力檢測(cè)儀檢測(cè)焊接后板材的殘余應(yīng)力。測(cè)量路徑為圖2中的CD方向。為了減小試驗(yàn)誤差，分別測(cè)量3組焊接試樣，對(duì)測(cè)量結(jié)果取平均值。

圖2 殘余應(yīng)力測(cè)量位置及力學(xué)邊界條件（俯視）Fig.2 Measuring positions for residual stress and mechanical boundary conditions（top view）

2 仿真模型

有限元模型如圖3所示，總共包含51 054個(gè)節(jié)點(diǎn)，40 800個(gè)單元。模擬采用順序耦合算法，先計(jì)算溫度場(chǎng)，再計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)。溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算采用相同的網(wǎng)格形狀，單元類型分別為DC3D8和C3D8R。

圖3 3D有限元模型網(wǎng)格Fig.3 3D FEM model

對(duì)于MIG焊，熱源模型采用上下橢球熱源[4]，模型形狀如圖4所示。模擬和實(shí)驗(yàn)所采用的焊接參數(shù)如表1所示。根據(jù)王能慶[5]等人的研究，熱源形狀對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響很小，因此假設(shè)在不同的預(yù)熱溫度和焊接參數(shù)下熱源模型的形狀參數(shù)保持不變。分別取a=b=7 mm，cu=2mm，cd=3.6 mm。

圖4 熱源形狀模型Fig.4 Model of welding heat source shape

表1 不同預(yù)熱溫度下的焊接參數(shù)Tab.1 Welding parameter under different preheating temperature

在溫度場(chǎng)的計(jì)算過程中，只考慮薄板與空氣的對(duì)流換熱和自身的熱輻射，薄板與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)為30 W/(m·2℃)，輻射系數(shù)為0.03[4]。由于焊接時(shí)未采用夾具束縛，力學(xué)邊界條件如圖2所示。6061-T6高溫下的材料性能見文獻(xiàn)[6]。

3 模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 溫度場(chǎng)

圖5為圖2中C點(diǎn)在案例1～6中的熱循環(huán)曲線。案例1～6在A點(diǎn)的最高溫度分別為751.24℃、792.16℃、746.23℃、751.70℃、740.71℃、739.13℃。焊前預(yù)熱會(huì)使熱循環(huán)曲線起始溫度增加，如果不改變焊接參數(shù)，必然導(dǎo)致焊接最高溫度的增加以及熔池尺寸的增加。由圖5可知，采用焊前預(yù)熱后降低焊接熱輸入的焊接工藝可以使升溫和降溫階段更加平緩，減小了熱循環(huán)曲線的升溫以及降溫速度，并且縮小焊縫區(qū)域與周圍金屬的溫度差。而增加焊接速度會(huì)導(dǎo)致熱循環(huán)曲線升溫和降溫速度的增加。

圖5 案例1～6 A點(diǎn)熱循環(huán)曲線Fig.5 Thermal cycle curve of point C in case1-6

3.2 模型驗(yàn)證

圖6為室溫下焊接CD方向節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較。由圖6可知，沿CD方向的橫向殘余拉應(yīng)力在到達(dá)峰值54.99 MPa后逐漸減小為邊部板材的0 MPa；縱向殘余應(yīng)力焊縫附近為拉應(yīng)力，焊縫中心為最大值249.09 MPa，沿CD方向先減小后增大至244.77 MPa后迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，壓應(yīng)力峰值為82.758，出現(xiàn)在離焊縫中心21.67 mm處。隨后沿CD方向壓應(yīng)力逐漸減小至板材邊部的0 MPa。模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合較好，證明了所開發(fā)有限元模型的正確性和精確性，可以將其用于預(yù)熱焊接的模擬。

圖6 方案1模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較Fig.6 Comparison results between simulation and experiments in case1

3.3 預(yù)熱溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

為了研究焊前預(yù)熱溫度對(duì)鋁合金平板對(duì)接焊殘余應(yīng)力的影響規(guī)律以及預(yù)熱后焊接參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，分別對(duì)方案1～6的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖7為方案1～6 AB方向節(jié)點(diǎn)的Mises等效應(yīng)力、縱向殘余應(yīng)力σx、橫向殘余應(yīng)力σy以及CD方向節(jié)點(diǎn)Mises等效應(yīng)力σe的分布圖。

由圖7a可知，預(yù)熱能夠顯著降低平板焊縫附近的殘余應(yīng)力，尤其是平板中部焊縫附近的殘余應(yīng)力。文獻(xiàn)[7]中認(rèn)為焊接殘余壓縮塑性應(yīng)變和殘余熱收縮應(yīng)變是等價(jià)的作用效果，焊前預(yù)熱能夠減小焊縫附近與板材邊部的溫度差，減小熱循環(huán)曲線升溫和降溫的速度，從而減小焊縫受到的束縛力，殘余壓縮塑性應(yīng)變和殘余熱收縮應(yīng)變均能減小，從而降低焊后的殘余應(yīng)力。由圖7b、圖7c可知，預(yù)熱溫度對(duì)縱向殘余應(yīng)力影響較大，對(duì)橫向殘余應(yīng)力的影響較小。由于焊接時(shí)的橫向殘余應(yīng)力主要是由于焊接時(shí)橫向的自約束和外加約束造成的[8]，而焊前預(yù)熱后焊縫附近的溫度差與預(yù)熱前相差不大，因此對(duì)橫向殘余應(yīng)力的影響較小。表2為計(jì)算所得方案1～6沿AB方向節(jié)點(diǎn)最大縱向殘余應(yīng)力。可以看出在隨著預(yù)熱溫度的提高，相應(yīng)縱向殘余應(yīng)力越小，最高應(yīng)力消除率為方案5對(duì)應(yīng)的27.2%。但方案6由于焊接速度很高，其殘余應(yīng)力值甚至高于預(yù)熱100℃的方案2、方案3，方案4的殘余應(yīng)力也較高。雖然預(yù)熱后提高焊接速度能提升焊接效率，但焊接速度增加，殘余應(yīng)力也會(huì)增加[9]。由于預(yù)熱的效果，雖然增加焊接速度的工藝殘余應(yīng)力會(huì)比減小焊接熱輸入的工藝高，但也比不預(yù)熱的殘余應(yīng)力低。由圖7d可知，焊前預(yù)熱主要對(duì)焊縫附近的殘余應(yīng)力影響較大，對(duì)遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域影響較小。在焊縫附近的應(yīng)力峰會(huì)隨著溫度的升高逐漸消除，方案5、方案6焊縫附近的應(yīng)力峰已經(jīng)消失。由于方案2沒有改變方案1的焊接參數(shù)，所以會(huì)導(dǎo)致熔池最高溫度和尺寸的增加，焊縫附近的應(yīng)力峰向外偏移。

圖7 方案1～6殘余應(yīng)力分布Fig.7 Residual stress distribution in Case1～6

表2 方案1～方案6沿AB方向最大縱向殘余應(yīng)力比較Tab.2 Comparisonofthemaximumlongitudinalresidual stress in case 1-6 along the direction of the AB

4 結(jié)論

（1）室溫下平板對(duì)接焊模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了所建立有限元模型的有效性和正確性。其可以代替實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)不同焊接工藝的6061-T6鋁合金MIG焊接殘余應(yīng)力。

（2）焊前預(yù)熱對(duì)焊縫附近的橫向殘余應(yīng)力影響較小，但可以顯著降低焊縫附近的縱向殘余應(yīng)力。對(duì)遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域的殘余應(yīng)力影響也較小。

（3）預(yù)熱溫度越高，應(yīng)力消除效果越好。實(shí)際生產(chǎn)中，在保證焊接件強(qiáng)度和其他生產(chǎn)要求的情況下可以選用較高的預(yù)熱溫度。

（4）雖然預(yù)熱后降低焊接熱輸入和增加焊接速度都可以抵消預(yù)熱溫度對(duì)熔池溫度的影響，一定程度減少焊縫附近的殘余應(yīng)力，但降低焊接熱輸入可以更有效降低焊縫附近的縱向殘余應(yīng)力。

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Effect of pre-heating on residual stress in aluminum alloy joint for healthcare applications

LIANG Yan1，2，WANG Mengjun1，WANG Jian2，CHEN Xuan1，2，GE Peng1，2
（1.The Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering of Ministry of Education，Central South University，Changsha 410083，China；2.Hu'nan Jianxing Rehabilitation Equipment Technology Development Co.，Ltd.，Changsha 410015，China）

Simulating the MIG welding process of 6061-T6 thin plate for healthcare applications using commercial software Abaqus. The residual stress of actual joint was measured by bind-hole method.And effect of different pre-heating welding procedures on residual stress in aluminum alloy was studied.The results of simulation and experiment under the room temperature was basically the same，which proved the finite element model's reliability.And the simulation results showed that pre-heating can reduce the longitudinal residual stress nearby welding beam obviously，and its influence on transverse residual stress was comparative less.The Higher pre-heating temperature is，the lower residual stress is.It's better to reduce the input power than to increase welding speed after pre-heating in order to reduce residual stress effectively.

pre-heating；residual stress；numerical simulation

TG404

：A

：1001-2303（2015）10-0054-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.12

2015-04-28；

：2015-06-10

湖南省社會(huì)發(fā)展支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2014SK4030）

梁 巖（1991—），男，甘肅平?jīng)鋈?，在讀碩士，主要從事鋁合金焊接殘余應(yīng)力有限元模擬方面的研究工作。