T型接頭激光穿透焊焊接變形及殘余應力研究

宋 晟 ，李冰雪 ，萬 斌 ，陸 皓

（1.上海民航職業技術學院航空制造系，上海200232；2.上海交通大學材料科學與工程學院，上海 200240）

0 前言

近年來，隨著節能降排和環保要求的提高，各行各業對材料和設備的輕量化要求越來越高，尤其是運輸行業。對于船舶運輸行業，采用輕量化設計不僅能降低材料損耗，節約生產成本，提高船舶的運輸能力，還能降低能耗，減少運營成本，降低環境污染。相比傳統的鋼板結構，采用三明治結構的輕量化設計能夠顯著提高結構的比剛度和比強度，滿足日益增長的節能和環保要求，因此廣泛應用于航海、航空等領域[1-2]。

三明治結構通常由上、下面板和中間筋板組成，通過焊接將上面板、筋板和下面板進行連接并形成一個雙表面的剛性結構。當采用高強鋼材料時，三明治結構能具有較高的剛度和強度。此外，在相同剛度、強度下，三明治結構能夠降低50%質量，并提高結構的減震性能[3]。

目前，對于高強鋼三明治結構的研究主要集中在失效分析以及整體力學性能方面，對于焊接過程中的應力應變行為及其影響因素研究較少[4]。焊接變形對結構設計精度影響顯著，而焊接殘余應力對三明治結構的剛度、強度、失效以及壽命影響較大。近年來，采用有限元仿真結合實驗的方法來研究焊接變形和殘余應力分布特征成為主流[5]。

本研究在試驗和有限元仿真的基礎上，提出了基于高斯熱源模型和三維椎體熱源模型的混合熱源模型，并驗證了其準確性。在有限元模擬和試驗的基礎上，通過引入界面單元模型[5]，討論在結構不對稱性和激光光束偏移的情況下，三明治結構激光穿透焊的變形和殘余應力分布特征，并探討了T型接頭激光穿透焊焊接變形和殘余應力的影響因素。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗材料Weldox960為屈服強度960 MPa的低合金高強鋼，元素含量為 w（C）=0.18%，w（Mn）=1.37%，w（Ni）=0.8%，w（Cr）=0.17%，w（Mo）=0.5%和w（Si）=0.32%。Weldox960因其優異的焊接性能和力學性能，廣泛應用于船舶制造、起重機等行業。Weldox960鋼板供貨狀態為淬火后低溫回火，其金相組織為較細的板條狀馬氏體和極少量貝氏體。其物理性能和力學性能如圖1所示。

1.2 實驗設備及方案

采用德國TRUMPF公司生產的TLF15000型CO2激光器，其激光波長10.6μm，雷利長度16.1mm，焦點半徑0.43 mm，激光焦距350 mm，最大輸出功率為15 kW，K系數為0.26。

三明治結構及其焊接形式如圖2所示，焊接時采用側吹氣對工件表面進行保護，保護氣體流量為28 L/min。

1.3 焊接變形及殘余應力檢測

圖1 Weldox960材料性能參數Fig.1 Material properties of Weldox960

試驗完成后，采用三坐標儀測量上述三明治結構的整體焊接變形。同時，基于激光焊接焊縫寬度較小的特點，采用X射線衍射法測量其焊接殘余應力。X射線衍射技術具有掃描斑點小、測量精度高等優點，在殘余應力測量領域應用廣泛[6-7]。其X射線偏離角度ψ與材料楊氏模量E、泊松比v、晶面間距d0以及XRD所測晶面間距di存在以下關系

當σΦ與射線入射方向無關時，可認為σΦ=σ1=σ2，此時式（1）可轉變為

對式（2）進一步推導，可得到式（3）和式（4）

測量殘余應力時，選取一定的布拉格角2θ，使用X射線進行連續掃描，即可得到材料的晶面間距，進而計算出相應的殘余應力值。

圖2 三明治結構及焊接形式示意Fig.2 Schematic map of sandwich structure and welding method

2 激光穿透焊有限元模擬

2.1 熱源模型

激光焊接速度快、效率高、焊接變形小，因此廣泛應用于工業生產中。采用有限元仿真來分析激光焊接過程中的變形及殘余應力分布狀態是一種有效的分析手段。然而，由于激光焊接能量密度分布的特點，常規熱源模型在描述激光焊接時存在較大誤差。為更加準確地描述激光焊接過程中的能量分布狀態，本研究在高斯熱源模型和三維椎體熱源模型的基礎上，提出針對激光焊接特點的三維混合熱源模型，如式（5）所示。

式中 f1為高斯熱源能量比例；r0為高斯熱源的熱源參數；zi、ze、re和 ri為三維錐形熱源模型的位置參數。在進行仿真時，根據激光焊接參數確定熱源模型參數。

2.2 三明治結構有限元模型

根據三明治結構的結構特征，建立了如圖3所示的兩種有限元模型。圖3a為對稱結構模型，圖3b為非對稱結構模型。兩種結構在焊接過程中存在不同的約束邊界條件，可能產生不同的焊接變形和殘余應力。此外，在實際焊接過程中，激光束可能發生一定的偏移，如圖4所示。激光束的偏移也會影響三明治結構的焊接變形和殘余應力，同時由于熔池形貌的變化，還會對三明治結構的剛強度產生不利影響。

圖3 三明治結構有限元模型Fig.3 Finite element model of sandwich structure

3 結果及討論

3.1 溫度模擬結果

圖4 激光束偏移示意Fig.4 Sketch map of the laser beam offset

為了驗證激光焊接混合熱源模型的準確性，設計了11組不同焊接參數下的激光焊接試驗，如表1所示。根據試驗結果，對混合熱源模型進行反演計算，得到不同焊接參數時的溫度分布結果。

不同焊接參數（功率及離焦量）時的焊縫形狀如圖5所示，圖片編號與表1中的編號一致。對比不同參數時的焊縫形狀發現，離焦量對焊縫熔深影響較大，離焦量為-4 mm時熔深最大，4 mm和6 mm時熔深最小。同時，隨著功率的增加，焊縫熔深和焊縫寬度均有所增加。此外，試驗結果與仿真結果吻合度較好，進一步證明了三維混合熱源模型能夠準確地描述激光焊接過程中的能量密度分布。

表1 不同參數焊接試驗及編號Table 1 Welding experiment and test number under different welding parameters

圖5 不同焊接參數時的熔池形狀Fig.5 Molten pool under different welding parameters

3.2 激光焊變形結果

三明治結構激光焊接變形的試驗結果和仿真結果如圖6所示。為了準確描述激光焊接過程中接頭處的力學性能，模型中引入界面單元模型[5]。從試驗結果和仿真結果的對比可知，不考慮界面單元模型時，整體焊接變形較大，而考慮界面單元模型的仿真結果則與實驗值較為接近。通過引入界面單元模型，實現了對T型接頭焊接過程中力學性能變化的描述，因此與實際結果吻合度較好。同時，采用激光穿透焊時，長160 mm的三明治板的縱向撓曲變形僅為0.5 mm，橫向變形僅為0.1 mm。與傳統T型接頭焊接方式相比，變形量顯著減小。

當模型中不考慮界面單元模型時，其焊后縱向撓曲變形約為0.25 mm，與實驗結果差別較大，而橫向變形結果也呈相同趨勢。這是因為在實際焊接過程中，三明治的筋板和面板僅產生部分熔合，其熔合寬度可參考圖5，且其接頭強度在焊接過程中不斷變化。在不考慮界面單元模型時，無法描述焊接過程中接頭強度的變化，以及熔合寬度對接頭強度的影響，導致計算時接頭強度值偏大，結構剛度增大，導致計算結果較實際結果偏小。

圖6 三明治結構焊后變形Fig.6 Deflections of sandwich structure after laser welding

3.3 激光焊殘余應力結果

三明治結構焊接的不對稱性特點產生了約束不對稱的邊界條件，從而導致變形和殘余應力分布不對稱性。對稱約束和不對稱約束焊后縱向殘余應力分布結果如圖7所示，兩種模型的最大縱向殘余應力均出現在焊縫兩側，而焊縫中心的殘余應力相對較小。焊接殘余應力主要由熱應力和組織應力引起，其中冷卻時的熱應力為拉應力，而馬氏體或貝氏體相變產生的應力為壓應力。在焊接冷卻過程中，焊縫中心由于發生馬氏體相變引起體積膨脹產生相變應變，降低了該處的殘余應力水平。

同時，對稱約束結構在焊接冷卻過程中的邊界約束較大，而非對稱約束結構存在一個自由端，因此，對稱結構在冷卻過程中受到的約束較大，產生的殘余拉應力更大。

圖7 三明治結構縱向殘余應力分布Fig.7 Longitudinal stress distribution after laser welding

在實際焊接過程中，激光束可能產生偏移，從而導致T型接頭處溫度分布發生變化，如圖8所示。

圖8 激光焊溫度分布Fig.8 Temperature distribution of laser welding

不對稱結構發生偏移后的Von Mises應力分布如圖9所示。在激光束不發生偏移的情況下，Von Mises應力峰值出現在焊縫兩側，與縱向殘余應力分布狀況一致，主要集中在面板和筋板的接觸面根部。激光束發生偏移時，應力峰值出現在面板和筋板接觸面的偏移一側，且應力值更大。

不對稱約束和對稱約束結構在激光束不發生偏移和發生偏移情況下的縱向殘余應力如圖10所示。與Von Mises應力結果類似，當激光束偏移時，產生的殘余應力更大，且主要集中在焊縫區域以及面板和筋板接觸面的偏移一側。

在激光束不偏移的情況下，對稱結構約束和不對稱結構約束的殘余應力結果如圖11所示。對比實驗結果和有限元仿真結果發現，對稱約束情況下焊縫中心的殘余應力較小，約為100 MPa。非對稱約束時焊縫中心的殘余應力較大，約為200 MPa。可見焊接時約束狀態對殘余應力的影響較為明顯。同時，無論對稱與否，最大縱向殘余應力均出現在焊縫兩側，且其結果較為接近。此外，實驗結果與仿真結果的吻合度較好，進一步驗證了有限元仿真的準確性。

圖9 Von Mises應力分布Fig.9 Distribution of Von Mises stress

圖10 縱向應力分布Fig.10 Distribution of longitudinal stress

4 結論

圖11 三明治結構激光焊縱向殘余應力Fig.11 Longitudinal residual stress distribution after laser welding

（1）提出了基于高斯熱源模型和三維錐體熱源模型的混合熱源模型，能夠有效模擬激光焊接過程中熱流的分布狀態。

（2）采用激光焊接能夠顯著減小三明治結構的焊接變形，長度160mm的三明治板的縱向撓曲焊接變形為0.5 mm，橫向變形為0.1 mm。同時，界面單元模型能夠更加準確地描述激光穿透焊的焊接變形。

（3）激光焊接能夠顯著減小焊接變形，但不能減小焊接殘余應力。無論對稱與否，最大縱向殘余應力均出現在焊縫兩側，焊縫中心殘余應力則相對較小。