基于計算機仿真的SUS304鋼單面雙點焊溫度場和應力場研究

馬鳳娟，宋大偉，張 玉

（1.濰坊工程職業學院，山東 青州262500；2.煙臺大學，山東 煙臺 264000）

0 前言

根據軌道交通車身所采用的材料大體可分為普通碳鋼列車、不銹鋼列車、鋁合金列車，不銹鋼和鋁合金車身不僅具有高的耐腐蝕性能，使用壽命大大延長，而且制造工藝也更簡單，無需進行涂裝[1-2]。雖然鋁合金車身可以大大減輕自重，但由于鋁合金車身的焊接性、耐蝕性較不銹鋼差，且價格較高，目前較多采用不銹鋼材料制造軌道列車車身，也有報道指出最先進的不銹鋼車身輕量化效果與鋁合金相比已基本相當[3]。因此不銹鋼在車身制造中的應用具有很好的市場前景，SUS304鉻鎳奧氏體不銹鋼在室溫下組織為單相奧氏體，比Cr13不銹鋼具有高的耐蝕性、塑性和韌性，以及良好的冷成形性能和焊接性能，廣泛應用于軌道列車、壓力容器、原子能等設備的制造[4]。目前我國普遍使用易于實現自動化的電阻焊的方法進行軌道車身焊接，單面雙點焊由于生產效率較高，一次焊接就可得到兩個焊點，在汽車車身制造中的應用較為廣泛[5-6]。由于電阻焊過程升溫速度極快，熔核形成過程時間短，溫度場和應力場數據采集十分困難，如果采用實驗方法研究熔核形成過程不僅難度較大，同時大量的試驗會耗費大量人力物力，焊接數值模擬技術為電阻點焊研究提供有效的手段[8]。在此基于ANSYS大型有限元軟件，模擬了2 mm厚SUS304奧氏體不銹鋼雙層板單面雙點焊過程中溫度場和應力場分布，分析單面雙點焊熔核形成過程中溫度場和應力場變化情況，為優化焊接參數和提高熔核質量提供指導。

1 有限元模型建立

1.1 材料及焊接工藝

試驗材料為寶鋼生產中SUS304鉻鎳奧氏體不銹鋼板，厚度為2 mm，化學成分如表1所示。焊接試板尺寸100 mm×50 mm×2 mm，采用TZ-3×40三相次級整流直流工頻點焊機進行單面雙點焊，采用Cr-Zr-Cu球面電極，下表面用銅臺。具體焊接工藝參數為：電極壓力8 200 N；預熱階段電流5 kA，預熱時間6 cyc；間隔時間 6 cyc，焊接階段焊接電流8.5 kA，焊接時間20 cyc；壓力維持階段時間20 cyc。

表1 SUS304鋼化學成分Tab.1 Chemical composition of SUS304 steel %

1.2 有限元模型

根據焊接試板尺寸建立激光焊接模型，考慮到模型的對稱性，只取1/2進行分析，所建立的有限元網格模型如圖1所示。焊點區域由于溫度梯度和應力應變較大，取較小單元尺寸，為0.25 mm，熱影響區建立過渡網格，最小網格尺寸為1 mm，母材的網格尺寸逐漸粗化，最大網格為4 mm，熱力耦合分析采用單元類型為SOLID45。

1.3 熱源模型及邊界條件設置

焊接熱源模型采用指數衰減的高斯柱體熱源，徑向熱流呈高斯分布，隨著深度的增加，能量呈逐步衰減的趨勢。換熱邊界條件：周圍環境溫度為25℃，鋼板及電極初始溫度25℃，循環冷卻水的溫度為25℃，流量為 3L/min，冷卻水換熱系數為 3800 W·m-2·K-1，材料表面與空氣的換熱系數如圖2所示，焊縫中心對稱面為絕熱面。力學邊界條件：固定下表面銅臺各向位移（UX=0，UY=0，UZ=0）及焊點區域徑向位移（UX=0，UZ=0）。

圖2 材料表面散熱系數Fig.2 Surface heat transfer coefficient of the test material

1.4 材料熱力性能參數

用于焊接模擬SUS304鋼及電極具體材料力學及熱物理性能參數參考文獻[9]，對激光的表面吸收系數N=0.7，不銹鋼的熔點設為1 470℃，鋼板溫度超熔點時熔化并在后續的冷卻過程中形成焊點。

2 溫度場模擬結果及分析

2.1 焊接各時段溫度場模擬結果

SUS304鋼單面雙點焊接過程中各時間段溫度場分布如圖3所示。圖3a、圖3b是預熱階段溫度場分布，當t=0.02s時，由于鋼板接觸面接觸電阻較大，產生較多熱量，接觸面溫度逐漸升高，而上鋼板溫度較下鋼板略高，這是因為單面雙點焊存在單面分流效應，部分電流直接流經上鋼板而不通過鋼板界面和下鋼板，隨著預熱時間的增長，界面處產熱量越來越多，當t=0.12 s時心部溫度升高至356℃，此時預熱階段結束。圖3c是間隔6cyc后鋼板溫度場模擬結果，隨著預熱階段結束，上面鋼板在電極冷卻以及與下面鋼板的熱傳導作用下溫度場逐漸趨于均勻，此時心部最高溫度為305℃。圖3d是焊接階段溫度場模擬結果，在焊接電流的作用下，鋼板溫度迅速升高，此時最高溫度為1 655℃，遠高于鋼板的熔點1 470℃，高于熔點區域發生熔化并在隨后的冷卻過程中凝固形成焊點。

整個焊接過程中電極及工件峰值溫度的變化情況如圖4所示。在預熱階段，工件峰值溫度逐漸上升，至間隔階段工件峰值溫度下降，電極溫度則幾乎不變；進入焊接階段，在電流的作用下工件峰值溫度迅速上升，而電極由于有循環冷卻水的作用溫度上升較為緩慢。

圖3 焊接各時間段溫度場分布模擬云圖Fig.3 Modeling temperature filed at different time period

圖4 電極及工件峰值溫度的變化Fig.4 Peak temperature variation on the electrode and work piece

2.2 焊接應力場分析

SUS304鋼在預熱及間隔階段各時間點軸向應力分布模擬結果如圖5所示。由于在整個預熱階段電極壓力一直存在，鋼板焊接區域均為壓應力，而遠離該區域則呈現拉應力。隨著預熱時間的延長，鋼板界面處溫度升高產生膨脹，變形受到銅臺、電極抑制作用，因此界面處的壓應力值越來越大。此外，由于工件上表面與電極接觸面積較小，而工件下表面與銅臺接觸面積大，所以上鋼板與電極界面處的壓應力明顯大于下鋼板與銅臺接觸面。在間隔階段隨著電流的移除，工件溫度下降，軸向應力值有所減小。

SUS304鋼在焊接階段各時間點軸向應力分布模擬結果如圖6所示。由圖6可知，隨著焊接的進行，在焊接熱輸入的作用下，鋼板焊接區域溫度越來越高進而發生軟化甚至熔化，在壓力的作用下產生塑性變形，電極與上鋼板的接觸面積增大，焊接區壓應力逐漸減??；同時下面鋼板溫度也不斷升高，發生軟化，壓應力也越來越小，如圖6c所示，在t=0.41 s時，上下鋼板應力分布趨于均勻；當t=0.44 s時，由于上下鋼板接觸界面焊接區域完全熔化形成了熔核，該區域應力值進一步減小，此時工件與電極和銅臺界面區域應力值最大。

圖5 預熱階段軸向應力分布Fig.5 Axial stress distribution at preheat period

圖6 焊接階段軸向應力分布Fig.6 Axial stress distribution at welding period

2.3 熔核形貌模擬結果

對SUS304鋼的單面雙點焊工件取金相試樣，拋光腐蝕后用金相顯微鏡觀察，并測量熔核尺寸，熔核直徑實測值為6.0 mm，結果圖7a所示。對該焊接工藝的SUS304鋼單面雙點焊焊接溫度場進行模擬，結果如圖7b所示，設定溫度超過1470℃的區域為熔化區，熔核直徑模擬值為6.4 mm。比較可知，模擬結果與實測結果較為吻合，表明所建立的模型可用于SUS304鋼的單面雙點焊溫度場模擬。

圖7 試驗與模擬熔核形狀對比Fig.7 Comparison of modeling and measured nugget shape

3 結論

（1）在預熱階段，上鋼板溫度較下鋼板高，最高溫度為356℃，鋼板焊接區域均為壓應力，而遠離該區域則呈現拉應力；隨著預熱時間增加，上鋼板與電極界面處的應力增大，上鋼壓應力值大于下鋼板。

（2）在焊接階段，隨著焊接時間增加，焊接區溫度迅速上升，峰值溫度達到1 655℃，焊接區壓應力逐漸減小，最終上下鋼板應力分布逐漸趨于均勻。

（3）單面雙點焊熔核直徑模擬值為6.4 mm，實測值為6.0 mm，熔核形狀模擬結果與實測結果吻合較好，所建立的模型可用于SUS304鋼單面雙點焊過程模擬。

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