等厚304L薄板全焊透激光焊單道搭接仿真分析

李海龍，陳 晶，徐 成，徐 玄，任旭升，張 棋

（1.上海藍濱石化設(shè)備有限責任公司，上海201518；2.中國核電工程有限公司 河北分公司，石家莊050021）

等厚304L薄板全焊透激光焊單道搭接仿真分析

李海龍1，陳 晶1，徐 成1，徐 玄2，任旭升1，張 棋1

（1.上海藍濱石化設(shè)備有限責任公司，上海201518；2.中國核電工程有限公司 河北分公司，石家莊050021）

基于SYSWELD軟件對厚度為1 mm 304L薄板進行了激光焊單道搭接仿真分析，研究了不同線能量對焊縫質(zhì)量的影響，重點分析了焊縫縱向殘余應(yīng)力以及焊縫屈服強度。結(jié)果表明，焊縫屈服強度隨焊接線能量增加而降低，且沿焊縫垂直方向屈服強度呈M狀分布；通過采用屈服強度與縱向殘余應(yīng)力的差值表征焊道焊接質(zhì)量優(yōu)劣，發(fā)現(xiàn)焊道薄弱位置在焊縫靠夾具一側(cè)的熱影響區(qū)處；當焊接速度為3 m/min、線能量為45 J/mm時，焊接質(zhì)量最優(yōu)。

焊接；激光焊；搭接；線能量；SYSWELD軟件

304L不銹鋼作為奧氏體不銹鋼的一種，具有耐蝕性好、塑性和韌性較高等優(yōu)點，其薄板廣泛應(yīng)用于化工、機械儀表、航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域[1-2]，因此不銹鋼薄板制品的封裝和焊接變得十分重要。傳統(tǒng)的焊接方法難以保證薄板的焊接成型質(zhì)量，而激光焊接具有傳統(tǒng)焊接無法比擬的優(yōu)點，能有效減少焊接缺陷，精確控制焊縫形式[3-4]。但是在運用到新結(jié)構(gòu)時，首先需要考慮焊接參數(shù)對焊縫抗拉強度、疲勞強度和殘余應(yīng)力等的影響，因此筆者采用數(shù)值模擬方法研究了等厚304L薄板全焊透激光焊單道搭接焊接性能。

1 試驗?zāi)Ｐ图安牧蠀?shù)

SYSWELD完全實現(xiàn)了金屬冶金、機械和熱傳導(dǎo)的耦合計算，在焊接仿真方面具有明顯優(yōu)勢，因此筆者基于SYSWELD軟件對等厚304L不銹鋼薄板激光焊單道搭接進行仿真分析。在SYSWELD軟件中，充分考慮到了焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)變和相變應(yīng)變，而兩者產(chǎn)生的同時，必會引起塑性、彈性應(yīng)力場等與之相關(guān)的變形[5]。這類彈塑性應(yīng)變關(guān)系表示為[6]

式中：｛dσ｝—應(yīng)力增量；

[Dep]—彈塑性剛度矩陣；

｛dε｝—應(yīng)變增量；

[Cth]—熱剛度矩陣；

[M]—溫度形函數(shù)；

｛ΔT｝—溫度變化量 。

在熱彈塑性分析的基礎(chǔ)上，需做以下假設(shè)[7]：①材料的屈服服從米塞斯（Von Mises）屈服準則；②塑性區(qū)的行為服從塑性流動準則和強化準則；③塑性應(yīng)變、彈性應(yīng)變和溫度應(yīng)變是不可分的；④與溫度有關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變和力學(xué)性能在微小的時間增量內(nèi)線性變化。

因此，運用SYSWELD進行熱彈塑性焊接有限元仿真時必須考慮材料特性與溫度之間的關(guān)系，SYSWELD提供了擴展的材料庫數(shù)據(jù)—相和溫度相關(guān)參數(shù)，利用高度優(yōu)化的數(shù)值計算焊接過程完成仿真分析。筆者采用SYSWELD軟件自帶304L不銹鋼材料庫，材料的化學(xué)成分及不同溫度下性能參數(shù)見表1和表2。激光焊接前后均不需要熱處理。

表1 材料的化學(xué)成分 %

表2 不同溫度下材料的性能參數(shù)

由于激光焊焊接過程中存在相變，相變會對溫度場產(chǎn)生巨大影響，熱焓法是處理相變潛熱常用方法，熱焓法求解區(qū)導(dǎo)熱微分方程[8]為

式中：T—溫度場分布函數(shù)，K；

ρ —材料密度， kg·m-3；

c（T）—材料比熱容， J·（kg·K）-1；

t—時間， s；

λ—材料導(dǎo)熱系數(shù)，W·（m·K）-1；

2 仿真試驗驗證

在進行焊接仿真前，基于SYSWELD軟件計算304L搭接接頭溫度場、焊縫外觀及焊接縱向殘余余力，并結(jié)合理論驗證計算方法的可靠性。仿真試驗采用尺寸為50mm×20mm×1mm的搭接試樣，模擬采用一種理想零組隊間隙，組對尺寸如圖1所示。焊接工藝為：焊接線能量40J/mm，焊接速度3 m/min。采用SYSWELD激光焊焊接過程中內(nèi)置的熱彈塑性模擬，采用高斯熱源和錐形熱源的復(fù)合模型[9]。通過前期研究發(fā)現(xiàn)，焊接過程中焊接熱量主要對焊縫周圍5 mm內(nèi)母材產(chǎn)生影響。為保證焊接仿真精度及計算量，從焊縫邊緣到焊縫區(qū)采用漸密的網(wǎng)格劃分；為防止仿真應(yīng)力場畸變，在過渡區(qū)均采用四邊形過渡[10]。計算出沿焊縫焊接線縱向剖面溫度場分布云圖，如圖2所示。

圖1 組對尺寸圖

圖2 焊縫溫度場分布云圖

從熔池溫度分布云圖可以看出：溫度分布呈勺狀，勺尾在熔池尾部，這與席明哲等[11]的研究結(jié)果相一致，最高溫度在焊縫正表面，為2100℃，且最高溫度點滯后焊接點0.2 mm。焊縫正面表面縱向殘余應(yīng)力和屈服強度與距焊縫距離的關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，在焊縫位置存在拉應(yīng)力，遠離焊縫位置為壓應(yīng)力，呈典型殘余應(yīng)力分布曲線[12]，計算縱向殘余應(yīng)力分布規(guī)律與焊接理論相一致，且由于焊縫A點側(cè)搭接位置沒有約束，而另外一側(cè)尾部固定，因此焊后A點側(cè)殘余應(yīng)力比焊縫另外一側(cè)低，從模擬結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，大約低3%。

圖3 焊縫正面表面縱向殘余應(yīng)力和屈服強度與距焊縫距離的關(guān)系曲線

綜上分析可知，采用SYSWELD軟件計算焊接殘余應(yīng)力分布、預(yù)測焊縫薄弱位置及不同焊接線能量對焊縫質(zhì)量的影響是可行的。

3 數(shù)值模擬及分析

焊縫焊接質(zhì)量可靠性可以通過計算焊縫屈服強度與焊接縱向殘余應(yīng)力絕對值的差值表征，差值越大焊接質(zhì)量越好，反之越差。通過前期試驗發(fā)現(xiàn)，該焊接方式為保證焊縫全焊透，采用焊接速度為3 m/min時具有最佳焊接效果，因此筆者主要研究焊接速度為3 m/min時，不同焊接線能量對焊接質(zhì)量的影響。

圖4為不同線能量時，距離焊縫中心不同位置焊縫正面和背面表面的屈服強度。焊縫屈服強度在焊縫熱影響區(qū)最大，30 J/min時最大值為275 MPa，比母材屈服強度增加了53%，同時在研究范圍內(nèi)隨著線能量的增加，焊縫屈服強度越低。從圖4還可知，焊縫寬度與線能量成正比。圖5為焊縫正面及背面屈服強度與殘余應(yīng)力絕對值的差值的對比曲線。

圖4 不同線能量時焊縫正面和背面的屈服強度對比曲線

圖5 不同線能量時焊縫正面和背面屈服強度與殘余應(yīng)力絕對值的差值對比曲線

從圖5可以看出，焊縫最薄弱位置出現(xiàn)在靠夾具側(cè)熱影響區(qū)附近，這是因為靠夾具側(cè)焊接過程中自由度比另外一側(cè)低，勢必造成焊后殘余應(yīng)力偏高。而從圖4明顯可見，焊縫屈服曲線在焊縫兩側(cè)呈對稱分布，在距離4～5 mm處屈服強度呈下降趨勢。從圖5可見，線能量增大，焊縫正面安全性高，這是因為線能量大，金屬蒸汽逸出熔池正面越強烈，對熔池正面攪拌作用越明顯，從而降低正面殘余應(yīng)力[13]。因此，綜合考慮焊縫正面和背面焊接質(zhì)量，線能量為45 J/mm時最好。這是因為激光焊焊接過程中產(chǎn)生小孔效應(yīng)，在焊縫底部汽化時壓迫焊縫底部，從而使焊縫加深，因此線能量低時，焊縫背面焊透少，底部金屬汽化時，內(nèi)應(yīng)力不易釋放，從而殘余應(yīng)力大；線能量過大，根部穿透嚴重，使整個焊道下凹，從而降低焊縫質(zhì)量。

4 結(jié) 論

（1）焊縫表面屈服強度呈M狀分布，在熱影響區(qū)附近值最大；

（2）焊縫最薄弱位置在靠近夾具側(cè)熱影響區(qū)附近；

（3）在研究條件范圍內(nèi)，通過采用屈服強度與縱向殘余應(yīng)力的差值表征焊道優(yōu)劣的方式發(fā)現(xiàn)，焊接速度為3 m/min時，采用45 J/mm線能量，焊接質(zhì)量最好。

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Study of a single pass in full penetration laser lap welding of 1 mm thickness 304L

LI Hailong1，CHEN Jing1，XU Cheng1，XU Xuan2，REN Xusheng1，ZHANG Qi1
（1.Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201518，China；2.China Nuclear Engineering Co.,Ltd.,Hebei Branch,Shijiazhuang 050021,Hebei，China）

A single pass in full penetration laser lap welding of 1 mm thickness 304L was analyzed based on SYSWELD software.The influence of the different linear energy on weld quality was studied.Mainly focus on the longitudinal residual stress and yield strength.The results showed that the yield strength of weld decrease with linear energy increasing.The yield strength that on the vertical direction of weld presents a mode of M distribution.The weakest position which characterized by the difference between the residual force and the longitudinal stress is located on the HAZ which is close to clamp side.When the welding speed is 3 m/min,the heat input is 45 J/mm,the best welding quality can be obtained.

welding;laser welding;lapping;linear energy；SYSWELD software

TG456.7

A

1001－3938（2015）12-0051-04

李海龍（1987—），男，碩士研究生，主要從事壓力容器焊接研究工作。

2015－08－25

李紅麗