高強(qiáng)鋼等離子弧焊接應(yīng)力場模擬及焊接工藝參數(shù)研究

王磊，韓嘉偉，石強(qiáng)，馮爍，楊志鑫

（遼寧理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，遼寧錦州 121000）

隨著中國制造業(yè)的迅猛發(fā)展，利用等離子弧焊不但可以提高焊接速度，還提高了生產(chǎn)率。 尤其是在高精尖產(chǎn)業(yè)及智能制造領(lǐng)域中等離子弧焊展示出其優(yōu)良特性。 在對合金材料進(jìn)行焊接過程中，適合焊接材料的厚度5～8mm，焊接材料不開坡口，在規(guī)定焊接一次情況下高強(qiáng)鋼等離子弧焊可完成雙面焊，簡化了焊接程序，有效控制了生產(chǎn)成本。 所以我國相關(guān)從業(yè)人員已經(jīng)開始研究更加高效焊接工藝，為特殊合金材料焊接提供技術(shù)支持[1]。對DP600G 鋼實(shí)施焊接時(shí)可通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)及焊接機(jī)理達(dá)到焊接成型效果。 然而，多數(shù)焊接方法在焊接過程中存在缺陷，其中等離子弧焊因?yàn)樵谑褂玫臅r(shí)候，采用的是通電的方式進(jìn)行焊接，面臨著電流過載的問題。 然而，其作業(yè)的效率又與電流息息相關(guān)，但是不能一味的追求速率，而放棄質(zhì)量，因?yàn)樗俾蔬^快會導(dǎo)致咬邊狀況，當(dāng)然，操作不當(dāng)?shù)绕渌闆r也會導(dǎo)致焊接位置出現(xiàn)溝槽或凹陷，發(fā)生咬邊狀況[2]。DP600G鋼進(jìn)行點(diǎn)焊時(shí)，容易出現(xiàn)表面開裂現(xiàn)象，若焊接位置設(shè)計(jì)不當(dāng)， 焊接質(zhì)量無法得到保障， 一旦DP600G 鋼受到撞擊，應(yīng)變能量耗散，等離子電弧焊期間DP600G 鋼微觀結(jié)構(gòu)可不計(jì)化學(xué)成分對其影響作用，可不用測量焊接斷裂[3]。 而經(jīng)過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)焊接工藝參數(shù)會直接影響材料界面斷裂。 在焊接的時(shí)候除了咬邊狀況外，焊接處產(chǎn)生氣孔也是常見狀況， 這是因?yàn)闇?zhǔn)備工作未做到位，例如對汽車DP600 鋼進(jìn)行焊接,焊前仔細(xì)清洗工具與焊接的物件，若未完成清洗步驟會造成氣孔狀況發(fā)生，這些問題制約著等離子弧焊接在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用。 因此，避免此類狀況發(fā)生，需要進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化和應(yīng)力場模擬[4]。

本文提出高強(qiáng)鋼等離子弧焊接應(yīng)力場模擬及焊接工藝參數(shù)研究。 焊接材料主要服從Von-Mises 屈服準(zhǔn)則， 使用熱彈塑性分析計(jì)算焊接應(yīng)力以及變形， 充分考慮材料參數(shù)為非零值的狀態(tài)， 通過PRI 計(jì)算材料高溫熔化狀態(tài)下參數(shù)，獲取不同方向的應(yīng)力分布情況。

1 高強(qiáng)鋼等離子弧焊接應(yīng)力場模擬

焊接應(yīng)力場數(shù)值模擬對高強(qiáng)鋼等離子弧焊工藝研究有重要意義，應(yīng)力場模擬更利于確定高強(qiáng)鋼焊接時(shí)各結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計(jì)、采用的工藝方法和焊接參數(shù)。 高強(qiáng)鋼等離子弧焊涵蓋了多個學(xué)科內(nèi)容，即電弧物理、冶金、力學(xué)、傳熱的過程。 焊接現(xiàn)象包括焊接過程中的傳熱過程、高強(qiáng)鋼的熔化與凝固、焊接應(yīng)力與變形、冷卻過程中的相變等等。 而要保證高強(qiáng)鋼等離子弧焊質(zhì)量需要將以上影響因素進(jìn)行有效控制。 若采用模擬技術(shù)重現(xiàn)這些現(xiàn)象，可為高強(qiáng)鋼等離子弧焊作業(yè)提供可靠的參考依據(jù)[5]。

在DP600 鋼焊接過程中，受到焊接熱源的影響，焊接構(gòu)建局部加熱進(jìn)入瞬態(tài)高溫狀態(tài)，產(chǎn)生不均勻的焊接溫度場，形成焊接過程中應(yīng)力場的變化。

采用熱彈塑性分析方式，分析計(jì)算焊接應(yīng)力以及變形。 假設(shè)焊接過程構(gòu)建的應(yīng)力場變化屈服服從Von-Mises 屈服準(zhǔn)則，在塑性區(qū)內(nèi)，焊接構(gòu)件的行為變化服從流變法規(guī)律，在溫度不斷變化過程中，彈性以及塑性應(yīng)變受到影響。 高強(qiáng)鋼等離子弧焊模擬焊接時(shí)以提升焊接材料的整體力學(xué)行為，將焊接材料的非線性、幾何線性等因素影響情況考慮進(jìn)去，在移動熱源作用下更便于研究焊接時(shí)材料的瞬態(tài)溫度和熱應(yīng)力場[6，7]。 材料焊接力學(xué)分析為焊接溫度場確定提供了保障，材料力學(xué)性能變化與溫度變化有直接關(guān)聯(lián)性，焊接材料溫度參數(shù)確定更利于非線性函數(shù)構(gòu)成。 通過有線元法可以有效分析出焊接殘余應(yīng)力，該方法主要結(jié)合了焊接材料的彈塑性分析理論，焊接過程中出現(xiàn)變形情況可從熱－結(jié)構(gòu)耦合的數(shù)學(xué)角度模擬殘余應(yīng)力，得到一個最優(yōu)解，模擬DP600G 鋼焊接各個步驟，根據(jù)焊接時(shí)間變化，可快速得到時(shí)間積分解，使得高強(qiáng)鋼等離子焊接模擬過程更接近實(shí)際作業(yè)，圖1 給出了有限元法的基本流程。

圖1 基本流程圖

1.1 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

高強(qiáng)鋼等離子弧焊應(yīng)力變化處于彈性區(qū)域時(shí)，全應(yīng)變增量dε 與彈性應(yīng)變增量dεe以及溫度應(yīng)變增量dεT呈現(xiàn)如式（1）關(guān)系分布：

彈性區(qū)域內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變的表征關(guān)系如式（2）所示：

式中，[D] 表示彈性或者塑性的變形矩陣形式，{C}表示彈性變化過程中溫度變化向量。

彈性區(qū)域內(nèi)：

式中，{α}表示初始狀態(tài)下焊接材料的膨脹系數(shù)，T 表示焊接溫度變化，[D]e表示彈性矩陣，該矩陣受到焊接溫度的影響。

焊接過程中，焊接材料的屈服條件表征為：

式中， f 焊接過程中構(gòu)件服從的屈服函數(shù)，f0表示在溫度T 狀態(tài)下，與塑性形變量εp有關(guān)的屈服函數(shù)，焊接過程中，通過塑性流動原則，應(yīng)變增量{dεp}表征方式為：

式中，λ 表示硬化法則下，焊接材料塑性參數(shù)。

假設(shè)dσ0表示溫度變化導(dǎo)致的應(yīng)力場變化增量：

式中，De 表示彈性矩陣。受到焊接溫度的影響，外加以及內(nèi)部約束導(dǎo)致焊接構(gòu)件變形受限，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

1.2 焊接工藝參數(shù)

焊接參數(shù)是指焊接時(shí)為了保證焊接質(zhì)量而選定的物理量、化學(xué)成分、力學(xué)性能，焊接工作條件如載荷、溫度、電流等。 在等離子焊接過程中，焊接構(gòu)件受到局部加熱呈現(xiàn)高溫熔化狀態(tài)，焊槍噴嘴有大量的熱量，很快侵蝕噴嘴。 一旦孔口伸長或變形，焊接過程失去穩(wěn)定性、一致性和控制。DP600 鋼焊接數(shù)值模擬過程中， 需要充分考慮材料參數(shù)為非零值的狀態(tài)，參數(shù)選取過大過小均會導(dǎo)致模擬過程收斂困難或者失真，焊接應(yīng)力場數(shù)值模擬前，需要保證高溫環(huán)境下材料特征參數(shù)值選取范圍正確[8]。

高強(qiáng)鋼等離子弧焊初期，溫度場處于不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間后，便可達(dá)到最佳狀態(tài)，形成穩(wěn)定的溫度場。 由圖2 可以看出： 隨著溫度逐漸升高，材料接近熔化狀態(tài)，物理參數(shù)出現(xiàn)缺失。 假設(shè)材料高溫性能參數(shù)在應(yīng)力場模擬計(jì)算過程中，針對未知溫度的材料， 依據(jù)插值法進(jìn)行處理，參數(shù)性能參量如表1 所示。

圖2 泊松比與彈性模量變化曲線

表1 材料性能參量變化

使用高強(qiáng)鋼等離子弧焊時(shí)，材料內(nèi)部三維熱傳導(dǎo)研究可以依據(jù)能量守恒定律和導(dǎo)熱定律，若焊接材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，材料焊接熔化與溫度變化沒有實(shí)際關(guān)聯(lián)性時(shí)，根據(jù)能量守恒定律，構(gòu)建起焊接時(shí)間與焊接材料溫度變化方程式，坐標(biāo)表示如公式（8）所示，焊接材料導(dǎo)熱規(guī)律如下：

關(guān)于高強(qiáng)鋼等離子弧焊過程出現(xiàn)熱傳導(dǎo)問題，最終解決方案是要得到導(dǎo)熱積分解，運(yùn)用方程計(jì)算方法得到最優(yōu)解，高強(qiáng)鋼等離子焊接前設(shè)定好邊界約束條件和初始條件。 如焊接過程中材料表面溫度分布情況，離子氣入口邊界處速度分布等邊界條件，驗(yàn)證過程中可將所設(shè)定的邊界條件進(jìn)行模擬驗(yàn)證，所得結(jié)果是否會對焊接質(zhì)量造成影響， 初始條件是指焊件開始導(dǎo)熱的瞬間(t=0s) 溫度的分布， 可以根據(jù)實(shí)際焊接條件進(jìn)行設(shè)置，例如設(shè)置為環(huán)境溫度或者焊件預(yù)熱溫度。 為了簡化，通常認(rèn)為焊前焊件的溫度均勻，即可設(shè)置為某一特定的溫度值[9]。

高強(qiáng)鋼等離子弧焊的焊接質(zhì)量控制可以用邊界條件進(jìn)行約束，評估焊接材料進(jìn)行加熱后與周圍介質(zhì)熱交換狀況，焊接完成后判斷焊接形態(tài)，更利于邊界條件劃定。 邊界條件設(shè)置方式有多種，最常用的設(shè)定方式大致分為三種，即：待焊接材料進(jìn)行焊接時(shí)換熱系數(shù)確定； 焊接材料表面溫度確定；焊接材料進(jìn)行加熱后熱流密度值確定[10]。

簡言之，焊接溫度場的計(jì)算基本就是在確定的初始條件和邊界條件下，對焊件內(nèi)的各個微元進(jìn)行導(dǎo)熱微分方程的求解。

2 實(shí)驗(yàn)研究

明確殘余應(yīng)力測定點(diǎn)位置， 編號不同位置，打磨應(yīng)變片粘貼位置，保持充分干燥環(huán)境，焊接材料外觀檢查裝置采用BX120-2CA 型三軸電阻設(shè)備，在粘貼應(yīng)變片后，在室溫環(huán)境下放置12h，之后開始進(jìn)行鉆孔實(shí)驗(yàn)， 通過ZSY-16B3 型應(yīng)變儀讀取并記錄焊接DP600 鋼的應(yīng)變變化。

其中，不同方向應(yīng)力關(guān)系為：橫向，X 軸，與焊接縫隙垂直，σx；縱向，Y 軸，與焊接縫隙平行，σy；厚度殘余，Z 軸，厚度方向，σz。 依據(jù)ANSYS 坐標(biāo)關(guān)系，不同方向應(yīng)力表征方式已描述。 假設(shè)焊接應(yīng)力模擬持續(xù)時(shí)間為3245s， 在正常室溫環(huán)境下進(jìn)行冷卻，在不同方向下，參與應(yīng)力分布路徑圖如圖3 所示。

由圖3 可以看出：與橫向殘余應(yīng)力相比，縱向殘余應(yīng)力變化較為明顯， 呈現(xiàn)明顯上升趨勢。 1）在Z 軸方向，縱向殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)形式為拉應(yīng)力，在焊縫方向上呈現(xiàn)對稱分布狀態(tài)。 在起始點(diǎn)焊縫出現(xiàn)端，拉應(yīng)力值為30MPa，拉應(yīng)力上升速率變化隨著距離變化逐漸降低， 在中間位置處，上升至應(yīng)力峰值，達(dá)到405MPa，高于焊接材料屈服極限值。 拉應(yīng)力達(dá)到峰值狀態(tài)后，隨距離增加呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，最小值為90MPa。 2）在X 軸方向，橫向殘余應(yīng)力包括拉應(yīng)力以及壓應(yīng)力兩種模式，焊縫兩端位置表現(xiàn)為壓應(yīng)力，焊縫起點(diǎn)位置壓應(yīng)力值最大， 焊縫中間范圍內(nèi)表現(xiàn)為拉應(yīng)力，均值維持在11MPa 左右，隨著距離增加，橫向殘余應(yīng)力的變現(xiàn)形式為壓應(yīng)力，在降低至0 時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，拉應(yīng)力峰值達(dá)到140MPa，在到達(dá)焊縫末端之前拉應(yīng)力逐漸減小，在焊縫尾端表現(xiàn)為壓應(yīng)力，持續(xù)減小至150MPa。 3）在Y 軸方向，厚度殘余應(yīng)力值較為穩(wěn)定，始終保持在0 左右。

圖3 上表面焊接區(qū)域應(yīng)力路徑曲線圖

3 結(jié)論

本文依據(jù)焊接材料屈服服從Von-Mises 屈服準(zhǔn)則，采用熱彈塑性分析方式，分析計(jì)算焊接應(yīng)力以及變形， 充分考慮材料參數(shù)為非零值的狀態(tài)，通過PRI 計(jì)算材料高溫熔化狀態(tài)下參數(shù)。 1）在Z 軸方向，縱向殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)形式為拉應(yīng)力，在焊縫方向上呈現(xiàn)對稱分布狀態(tài)。 2）在X 軸方向，隨著距離增加，橫向殘余應(yīng)力的表現(xiàn)形式為壓應(yīng)力，在降低至0 時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，在到達(dá)焊縫末端之前拉應(yīng)力逐漸減小。 3）在Y 軸方向，厚度殘余應(yīng)力值較為穩(wěn)定，始終保持在0 左右。