焊前預熱對康復器械用鋁合金焊接殘余應力的影響

梁 巖，王孟君，王 劍，程 軒，葛 鵬

（1.中南大學 有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083；2.湖南健行康復器材科技發展有限公司，湖南 長沙410015）

焊前預熱對康復器械用鋁合金焊接殘余應力的影響

梁 巖1，2，王孟君1，王 劍2，程 軒1，2，葛 鵬1，2

（1.中南大學 有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083；2.湖南健行康復器材科技發展有限公司，湖南 長沙410015）

運用Abaqus有限元軟件對康復器械用6061-T6薄板的MIG對接焊進行模擬，通過盲孔法測量實際焊接試樣殘余應力。研究了不同預熱焊接工藝對鋁合金焊接殘余應力的影響。室溫下的實驗結果與模擬結果吻合良好，驗證了計算模型的正確性。模擬結果表明，焊前預熱能夠明顯減小焊縫附近的縱向殘余應力，對橫向殘余應力影響較小；預熱溫度越高，殘余應力消除效果越好；預熱后采用降低熱輸入的焊接工藝的消除殘余應力效果要好于預熱后增加焊接速度的焊接工藝。

焊前預熱；殘余應力；數值模擬

0 前言

6061由于其較高的比強度、耐腐蝕性能、抗疲勞特性[1]，被廣泛應用于輪椅、助行器、康復機器人的生產與制造當中[2]。但鋁合金康復器械在焊接過程中產生的殘余應力不僅對材料的斷裂強度、疲勞強度以及耐腐蝕性能有很大的影響，還嚴重地影響了結構的機加工精度和構件的尺寸穩定性[3]。本研究以ABAQUS有限元軟件為平臺，通過FORTRAN語言編寫上下雙橢球[4]焊接熱源程序，分別對20℃以及預熱100℃、200℃下6061-T6薄板不同焊接參數的MIG對接焊接進行模擬，通過實驗驗證計算模型的有效性，研究焊前預熱溫度對鋁合金焊接殘余應力的影響規律，確定了最佳的焊接工藝。

1 實驗方法

采用MIG焊接方法對6061-T6鋁合金薄板進行對接焊。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。焊接前對板材進行充分退火，以消除自身殘余應力，再重新熱處理至T6態。不使用夾具束縛焊接。實體模型如圖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殘余應力檢測儀檢測焊接后板材的殘余應力。測量路徑為圖2中的CD方向。為了減小試驗誤差，分別測量3組焊接試樣，對測量結果取平均值。

圖2 殘余應力測量位置及力學邊界條件（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個節點，40 800個單元。模擬采用順序耦合算法，先計算溫度場，再計算應力場。溫度場和應力場的計算采用相同的網格形狀，單元類型分別為DC3D8和C3D8R。

圖3 3D有限元模型網格Fig.3 3D FEM model

對于MIG焊，熱源模型采用上下橢球熱源[4]，模型形狀如圖4所示。模擬和實驗所采用的焊接參數如表1所示。根據王能慶[5]等人的研究，熱源形狀對焊接殘余應力的影響很小，因此假設在不同的預熱溫度和焊接參數下熱源模型的形狀參數保持不變。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 不同預熱溫度下的焊接參數Tab.1 Welding parameter under different preheating temperature

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

3 模擬及實驗結果分析

3.1 溫度場

圖5為圖2中C點在案例1～6中的熱循環曲線。案例1～6在A點的最高溫度分別為751.24℃、792.16℃、746.23℃、751.70℃、740.71℃、739.13℃。焊前預熱會使熱循環曲線起始溫度增加，如果不改變焊接參數，必然導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，減小了熱循環曲線的升溫以及降溫速度，并且縮小焊縫區域與周圍金屬的溫度差。而增加焊接速度會導致熱循環曲線升溫和降溫速度的增加。

圖5 案例1～6 A點熱循環曲線Fig.5 Thermal cycle curve of point C in case1-6

3.2 模型驗證

圖6為室溫下焊接CD方向節點的殘余應力模擬結果與實驗結果比較。由圖6可知，沿CD方向的橫向殘余拉應力在到達峰值54.99 MPa后逐漸減小為邊部板材的0 MPa；縱向殘余應力焊縫附近為拉應力，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后迅速轉變為壓應力，壓應力峰值為82.758，出現在離焊縫中心21.67 mm處。隨后沿CD方向壓應力逐漸減小至板材邊部的0 MPa。模擬計算結果與實際實驗測量結果吻合較好，證明了所開發有限元模型的正確性和精確性，可以將其用于預熱焊接的模擬。

圖6 方案1模擬結果與實驗結果比較Fig.6 Comparison results between simulation and experiments in case1

3.3 預熱溫度對殘余應力的影響

為了研究焊前預熱溫度對鋁合金平板對接焊殘余應力的影響規律以及預熱后焊接參數對殘余應力的影響規律，分別對方案1～6的計算結果進行對比。圖7為方案1～6 AB方向節點的Mises等效應力、縱向殘余應力σx、橫向殘余應力σy以及CD方向節點Mises等效應力σe的分布圖。

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

圖7 方案1～6殘余應力分布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力比較Tab.2 Comparisonofthemaximumlongitudinalresidual stress in case 1-6 along the direction of the AB

4 結論

（1）室溫下平板對接焊模擬結果與實驗結果吻合良好，驗證了所建立有限元模型的有效性和正確性。其可以代替實驗預測不同焊接工藝的6061-T6鋁合金MIG焊接殘余應力。

（2）焊前預熱對焊縫附近的橫向殘余應力影響較小，但可以顯著降低焊縫附近的縱向殘余應力。對遠離焊縫的區域的殘余應力影響也較小。

（3）預熱溫度越高，應力消除效果越好。實際生產中，在保證焊接件強度和其他生產要求的情況下可以選用較高的預熱溫度。

（4）雖然預熱后降低焊接熱輸入和增加焊接速度都可以抵消預熱溫度對熔池溫度的影響，一定程度減少焊縫附近的殘余應力，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力。

[1]戴瑋，薛松柏，蔣士芹，等.6061鋁合金中溫釬焊接頭組織與性能[J].焊接學報，2012，33（6）：105-108.

[2]Gunawarman B，Mitsuo Niinomi，Toshikazu Akahori，et al. Mechanical properties and microstructures of low cost β titanium alloys for healthcare applications[J].Materials Science and Engineering，2005，25：304-311.

[3]焦馥杰.焊接結構分析基礎[M].上海：上海科學技術文獻出版社，1991.

[4]葉延洪，何靜，蔡建鵬，等.6061-T651鋁合金薄板接頭的焊接變形[J].中國有色金屬學報，2014，24（10）：2435-2442.

[5]王能慶，童彥剛，鄧德安.熱源形狀參數對薄板焊接殘余應力和變形的影響[J].焊接學報，2012，33（12）：97-100.

[6]李燦，傅定發，王冠，等.焊接順序對6061-T6鋁合金矩形焊縫焊接殘余應力及變形量的影響[J].機械工程材料，2012，36（7）：88-92.

[7]汪建華，陸皓.焊接殘余應力形成機制與消除原理若干問題的討論[J].焊接學報，2002，23（6）：75-79.

[8]游敏，鄭小玲，陳燕，等.平板對接接頭橫向殘余應力調控技術研究[J].三峽大學學報（自然科學版），2002，24（1）：87-89.

[9]馬思群，袁永文，馮良波，等.焊接速度對鋁合金多道焊焊接殘余應力影響的研究[J].鐵道學報，2014，36（1）：16-21.

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

湖南省社會發展支撐計劃重點項目（2014SK4030）

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