SUS301L不等厚薄板點(diǎn)焊熔核與殘余應(yīng)力

李婭娜，簡(jiǎn)志松，劉嘉浩，張生芳

(大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028)

0 前言

電阻點(diǎn)焊有熔核氣密性好，冶金過(guò)程簡(jiǎn)單，焊后工藝處理簡(jiǎn)單及良好的焊接經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。所以在軌道交通裝備制造行業(yè)是一種常用的工件聯(lián)接方法。在軌道車輛生產(chǎn)制造中，經(jīng)常出現(xiàn)將不銹鋼材料不同厚度的板材點(diǎn)焊在一起的情況，這就使得不等厚板焊點(diǎn)質(zhì)量和強(qiáng)度的研究有重要的意義。目前點(diǎn)焊評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)都是以等厚板為前提，而且未給出具體工藝參數(shù)的影響，點(diǎn)焊的熔核形貌和強(qiáng)度不滿足實(shí)際條件，需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行研究，這就增加了制造成本，降低生產(chǎn)效率。運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，可以對(duì)點(diǎn)焊工藝進(jìn)行仿真，研究不同的工藝參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量和強(qiáng)度的影響，這對(duì)工程實(shí)踐具有很好的指導(dǎo)意義。

焊接電流、電極壓力、焊接時(shí)間等是影響點(diǎn)焊質(zhì)量的重要因素[4-5]。孫芳芳[6]利用有限元分析軟件ANSYS建立鋁合金點(diǎn)焊模型，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)鋁合金的點(diǎn)焊機(jī)理和影響因素進(jìn)行研究。馮浩宇等人[7]通過(guò)建立超高強(qiáng)度熱沖壓鋼的點(diǎn)焊過(guò)程有限元模型，采用固有應(yīng)變理論，對(duì)不同焊接工序和焊點(diǎn)分布的焊后殘余變形情況進(jìn)行了研究。孟根巴根等人[8]通過(guò)試驗(yàn)研究了CR340/590DP雙相鋼的點(diǎn)焊工藝性。王鵬博等人[9]通過(guò)試驗(yàn)研究了PC780鍍鋅復(fù)相鋼的電阻點(diǎn)焊過(guò)程的電流情況、顯微組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能，并評(píng)估了電極的使用壽命。王宜文[10]通過(guò)試驗(yàn)研究了不等厚異質(zhì)高強(qiáng)度鋼點(diǎn)焊后的顯微組織和力學(xué)性能。楊巍華[11]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了不等厚低碳鋼板點(diǎn)焊的熔核機(jī)理。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，點(diǎn)焊過(guò)程的研究是焊接領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)話題，但是針對(duì)不等厚板點(diǎn)焊熔核和焊后殘余應(yīng)力同時(shí)進(jìn)行分析數(shù)值分析的研究卻很鮮見，且殘余應(yīng)力的測(cè)量過(guò)程較為復(fù)雜，通過(guò)數(shù)值模擬是一種很好的獲取殘余應(yīng)力的方式。

文中使用專用焊接模擬軟件對(duì)不等厚不銹鋼板點(diǎn)焊過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比試驗(yàn)觀察了熔核形貌，研究了焊接電流、電極壓力及焊接時(shí)間對(duì)點(diǎn)焊焊后等效應(yīng)力的影響。

1 有限元模型

1.1 幾何和網(wǎng)格劃分

試驗(yàn)與仿真采用40 mm×40 mm×1.5 mm和40 mm×40 mm×0.8 mm尺寸的工件進(jìn)行焊接，模型采用0.4 mm的六面體網(wǎng)格，單元總數(shù)60 000個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)81 608個(gè)。

1.2 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真模型如圖1所示。在點(diǎn)焊結(jié)束后將夾具卸載，讓工件自由冷卻至室溫。點(diǎn)焊過(guò)程采用單脈沖點(diǎn)焊，設(shè)置預(yù)壓時(shí)間1 000 ms，焊后保持時(shí)間600 ms，焊接工藝圖如圖2所示。設(shè)計(jì)了15組點(diǎn)焊工藝參數(shù)，點(diǎn)焊工藝參數(shù)見表1。其中，1～5號(hào)、6～10號(hào)及11～15號(hào)分別用以研究焊接電流、電極壓力和焊接時(shí)間對(duì)焊后等效應(yīng)力的影響。

圖1 仿真模型

圖2 點(diǎn)焊工藝圖

表1 點(diǎn)焊工藝參數(shù)

2 仿真熔核分析

觀察分析熔核的直徑和熔核厚度的變化，如圖3所示。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表2及圖4～圖6。通過(guò)仿真得到點(diǎn)焊過(guò)程的熔核形貌，測(cè)量熔核直徑和熔核厚度，仿真結(jié)果與參考文獻(xiàn)[12]對(duì)比。

圖3 不同焊接電流熔核形貌對(duì)比

圖4 不同焊接電流下仿真及試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)對(duì)比

圖5 不同電極壓力下仿真及試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)對(duì)比

圖6 不同焊接時(shí)間下仿真及試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)對(duì)比

由試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)焊熔核隨著焊接電流的增大，小電流時(shí)無(wú)熔核，隨后逐步增大。由仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊接電流為7.0 kA和7.5 kA時(shí)，出現(xiàn)極小熔核，熔核出現(xiàn)在厚板區(qū)域，產(chǎn)生了嚴(yán)重偏移，對(duì)于工件聯(lián)接沒(méi)有貢獻(xiàn)，因此可認(rèn)為未形成有效熔核。隨后的熔核形貌與試驗(yàn)結(jié)果相似。結(jié)合表2中的測(cè)量結(jié)果，可認(rèn)為仿真的熔核形貌與試驗(yàn)結(jié)果相同。

表2 不同焊接工藝參數(shù)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，仿真后熔核直徑和熔核厚度與試驗(yàn)結(jié)果有著相同的變化情況，從而驗(yàn)證仿真模型的可行性。不等厚板點(diǎn)焊熔核向厚板一側(cè)偏移，等厚板點(diǎn)焊的熔核往往在兩側(cè)均勻分布。在點(diǎn)焊工藝參數(shù)不合理的情況下，會(huì)出現(xiàn)熔核只出現(xiàn)在厚板側(cè)的情況，這將大大降低點(diǎn)焊聯(lián)接的強(qiáng)度。在保證不焊透的前提下，較大的熔核，會(huì)對(duì)提高工件之間的聯(lián)接區(qū)域，使得有更優(yōu)的聯(lián)接質(zhì)量。

3 焊接等效應(yīng)力計(jì)算與分析

在驗(yàn)證仿真模型可行性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同焊接工藝參數(shù)的數(shù)值模擬，分析焊后自由冷卻至室溫的等效應(yīng)力情況。

3.1 焊接電流對(duì)焊后等效應(yīng)力的影響

在保證電極壓力和焊接時(shí)間不變的條件下，以焊接電流為變量，等效應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 不同焊接電流下焊后等效應(yīng)力云圖

根據(jù)等效應(yīng)力云圖可以看出，其余條件相同，隨著焊接電流的增大，焊后的高應(yīng)力區(qū)的分布逐步擴(kuò)大。探究其原因，隨著電流強(qiáng)度的增大，工件中的電流密度也隨之增大，產(chǎn)生的熱量也就增加，使熔核直徑和熔核厚度增大，在冷卻時(shí)，熔核區(qū)的金屬對(duì)周圍金屬的拉伸作用增強(qiáng)，因此高應(yīng)力區(qū)增大。

3.2 電極壓力對(duì)焊后等效應(yīng)力的影響

在保證焊接電流和焊接時(shí)間不變的條件下，以焊接電流為變量，等效應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 不同電極壓力下焊后等效應(yīng)力云圖

根據(jù)焊后等效應(yīng)力云圖可以看出，隨著電極壓力的增大，焊后等效應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)減小。探究其原因，隨著電極壓力增大，工件產(chǎn)生更大彈塑性變形，使工件與工件之間、電極與工件之間接觸面積增大，同樣的電流流過(guò)了更大的導(dǎo)電面積，導(dǎo)致電流密度減小，產(chǎn)生的熱量減小。在冷卻時(shí)，產(chǎn)生熱量小的焊接過(guò)程更快冷卻，且熔核區(qū)域的材料對(duì)熱影響區(qū)的拉伸作用較弱，故隨著電極壓力增大，焊后等效應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)減小。

3.3 焊接時(shí)間對(duì)焊后等效應(yīng)力的影響

在保證焊接電流和電極壓力不變的條件下，以焊接電流為變量，等效應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 不同焊接時(shí)間焊后等效應(yīng)力云圖

根據(jù)焊后等效應(yīng)力云圖可以看出，隨著焊接時(shí)間的增加，焊后等效應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)大。探究其原因，隨著焊接時(shí)間增加，相同情況下會(huì)產(chǎn)生更多熱量，使熔核中心區(qū)域溫度更高。在冷卻時(shí)，溫度變化更急劇，熔核中心區(qū)域?qū)嵊绊憛^(qū)的拉伸作用更劇烈，因此等效應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)更大。

觀察圖7～圖9焊后等效應(yīng)力分布，有共同規(guī)律：厚板應(yīng)力高于薄板應(yīng)力；高應(yīng)力區(qū)主要分布在熔核邊界的熱影響區(qū)和厚板的焊點(diǎn)處。探究其原因，在裝夾釋放后的冷卻過(guò)程中，工件材料自拘束作用仍然存在，厚板自拘束能力相比于薄板更強(qiáng)，故厚板應(yīng)力高于薄板。同時(shí)，薄板的散熱速度快于厚板，這也是應(yīng)力呈現(xiàn)這種分布的一個(gè)原因；在點(diǎn)焊過(guò)程中，熔核區(qū)域溫度較高，在冷卻時(shí)，熔核區(qū)域金屬快速冷卻凝固，由于熱脹冷縮作用，使熱影響區(qū)金屬受到拉伸作用，因此熱影響區(qū)呈現(xiàn)高應(yīng)力狀態(tài)。

選擇合理的點(diǎn)焊工藝參數(shù)，可讓不等厚板中產(chǎn)生合適的熔核，提高焊點(diǎn)質(zhì)量，使焊后殘余應(yīng)力降低，這可以提高點(diǎn)焊聯(lián)接強(qiáng)度。

4 結(jié)論

(1)改變焊接電流，在小電流時(shí)，試驗(yàn)和仿真均未出現(xiàn)合理的熔核，隨著電焊接流增大，熔核的直徑和厚度都增大；改變電極壓力，隨著電極壓力增大，仿真和試驗(yàn)得到的熔核直徑和熔核厚度都隨著增大；改變焊接時(shí)間，仿真和試驗(yàn)得到的熔核直徑均表現(xiàn)為先增大后減小再增大的趨勢(shì)，熔核厚度表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有相同的變化情況，驗(yàn)證了仿真模型的可行性。

(2)隨著焊接電流的增大，焊后的高應(yīng)力區(qū)的分布逐步擴(kuò)大；隨著電極壓力的增大，焊后等效應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)減?。浑S著焊接時(shí)間的增加，焊后等效應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)大。

(3)厚板應(yīng)力高于薄板應(yīng)力，且高應(yīng)力區(qū)主要分布在熔核邊界的熱影響區(qū)和厚板的焊點(diǎn)處。