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量的影響，重點分析了焊縫縱向殘余應力以及焊縫屈服強度。結果表明，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力的差值表征焊道焊接質量優劣，發現焊道薄弱位置在焊縫靠夾具一側的熱影響區處；當焊接速度為3 m/min、線能量為45 J/mm時，焊接質量最優。

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點，其薄板廣泛應用于化工、機械儀表、航空航天、核工業等領域[1-2]，因此不銹鋼薄板制品的封裝和焊接變得十分重要。傳統的焊接方法難以保證薄板的焊接成型質量，而激光焊接具有傳統焊接無法比擬的優點，能有效減少焊接缺陷，精確控制焊縫形式[3-4]。但是在運用到新結構時，首先需要考慮焊接參數對焊縫抗拉強度、疲勞強度和殘余應力等的影響，因此筆者采用數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 試驗模型及材料參數

SYSWELD完全實現了金屬冶金、機械和熱傳導的耦合計算，在焊接仿真方面具有明顯優勢，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生的熱應變和相變應變，而兩者產生的同時，必會引起塑性、彈性應力場等與之相關的變形[5]。這類彈塑性應變關系表示為[6]

式中：｛dσ｝—應力增量；

[Dep]—彈塑性剛度矩陣；

｛dε｝—應變增量；

[Cth]—熱剛度矩陣；

[M]—溫度形函數；

｛ΔT｝—溫度變化量 。

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

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系，SYSWELD提供了擴展的材料庫數據—相和溫度相關參數，利用高度優化的數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，材料的化學成分及不同溫度下性能參數見表1和表2。激光焊接前后均不需要熱處理。

表1 材料的化學成分 %

表2 不同溫度下材料的性能參數

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

式中：T—溫度場分布函數，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—材料導熱系數，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置的熱彈塑性模擬，采用高斯熱源和錐形熱源的復合模型[9]。通過前期研究發現，焊接過程中焊接熱量主要對焊縫周圍5 mm內母材產生影響。為保證焊接仿真精度及計算量，從焊縫邊緣到焊縫區采用漸密的網格劃分；為防止仿真應力場畸變，在過渡區均采用四邊形過渡[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力和屈服強度與距焊縫距離的關系如圖3所示。從圖3可以看出，在焊縫位置存在拉應力，遠離焊縫位置為壓應力，呈典型殘余應力分布曲線[12]，計算縱向殘余應力分布規律與焊接理論相一致，且由于焊縫A點側搭接位置沒有約束，而另外一側尾部固定，因此焊后A點側殘余應力比焊縫另外一側低，從模擬結果數據可以看出，大約低3%。

圖3 焊縫正面表面縱向殘余應力和屈服強度與距焊縫距離的關系曲線

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

3 數值模擬及分析

焊縫焊接質量可靠性可以通過計算焊縫屈服強度與焊接縱向殘余應力絕對值的差值表征，差值越大焊接質量越好，反之越差。通過前期試驗發現，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在靠夾具側熱影響區附近，這是因為靠夾具側焊接過程中自由度比另外一側低，勢必造成焊后殘余應力偏高。而從圖4明顯可見，焊縫屈服曲線在焊縫兩側呈對稱分布，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力[13]。因此，綜合考慮焊縫正面和背面焊接質量，線能量為45 J/mm時最好。這是因為激光焊焊接過程中產生小孔效應，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，內應力不易釋放，從而殘余應力大；線能量過大，根部穿透嚴重，使整個焊道下凹，從而降低焊縫質量。

4 結 論

（1）焊縫表面屈服強度呈M狀分布，在熱影響區附近值最大；

（2）焊縫最薄弱位置在靠近夾具側熱影響區附近；

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

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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