基于有限元數值模擬的激光包覆焊焊接變形預測與控制

孫強　方榮超　樊宇　徐杰　張軍　張許陽　陳則陽

摘要：在不同焊接條件下采用激光焊接器對1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼薄板在27SiMn合金結構鋼表面進行激光包覆焊，采用Msc. Marc軟件在相同條件下對激光焊接結果進行模擬計算。對比有限元數值模擬結果與實驗數據可知，Marc有限元軟件能夠較為準確地預測焊接模擬的走向，可根據模擬結果對材料進行預處理以減少焊后應力。在激光功率為400 W、焊接速度0.8 m/min條件下，在實驗和模擬中利用夾具對板材進行剛性位移約束，焊件變形量分別減少了95.3%和95.9%。同時通過預應力法對焊接變形進行模擬矯正，在800 N拉力下，板材變形量減少了29.3%。試驗結果證明，采用剛性固定法和預應力法可以有效地減少焊接變形量。

關鍵詞：不銹鋼薄板;激光焊;數值模擬;Msc.Marc;焊接變形

中圖分類號：TG456.7文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0116-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.21

0 前言

27SiMn是一種綜合性能優異的合金結構鋼，具有良好的切削及焊接性能，可用于制作無縫鋼管和液壓支柱[1]。但在一定環境中，27SiMn使用一定時間后其表面會被氧化腐蝕形成一層紅褐色的氧化膜，對材料的使用性能和壽命有較大影響[2]。為使27SiMn基材免受各種形式的腐蝕，可在其表面焊接一層金屬保護層，不但可以隔絕腐蝕介質，還能形成陽極保護[3]，當材料腐蝕時，首先腐蝕的是金屬保護層，從而緩減對27SiMn基材的腐蝕。

為了預測接頭的幾何形狀、微觀結構和其他焊接特性，本文對焊接過程進行數值模擬，并部分采用試錯法替代昂貴、耗時的基礎實驗。初始模擬被簡化，主要集中在二維（2D）方法上。如Bonollo[4]等人采用點線混合熱源模型預測了部分穿透焊接中的釘形狀;Huang H[5]等開發了點和線熱源來模擬激光鍵孔焊接，通過溫度分布估計焊縫部分，并與實際焊縫進行比較。2D焊接仿真雖然大大減少了計算時間，但難以揭示實際傳熱機理，導致實驗測試數據與模擬結果之間存在一定偏差。該模型的有效性與焊接過程中描述的物理現象精度高度相關。一些研究人員使用三維（3D）混合熱源模型來描述焊接過程。Shanmugam[6]等人假設熱輸入為三維錐形高斯熱源，用于分析T型接頭激光焊接過程中的溫度分布情況，并研究了激光束功率、焊接速度和光束入射角對焊道幾何形狀（穿透深度和焊道寬度）的影響。Chukkan[2，7]等人模擬比較了不同熱源對AISI316L不銹鋼激光對接焊接的影響，發現具有圓柱形殼熱源的3D圓錐體的預測結果比其他熱源的預測結果更為準確。

本文采用500 W光纖激光焊接機對1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼薄板和27SiMn鋼板進行包覆焊接，通過MSC.Marc[8]有限元軟件對相同實驗條件下的激光焊接過程進行數值模擬[9-10]，分析焊接過程中溫度場、應力場和焊接殘余形變，較為準確地預測了焊后變形與應力。最后采用剛性固定法和預應力法對焊接變形進行控制與矯正，從而降低焊后變形量。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

基體金屬為27SiMn，尺寸為200 mm×40 mm×5 mm，其化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。金屬保護層材料為1Cr17Ni2，尺寸為130 mm×36 mm×1 mm，化學成分如表3所示，其高溫物理性能如表4所示。為了保護焊接區域免受油污染和氧化膜干擾，試板的每個接觸表面預先通過銑削方式進行清潔，焊接前用丙酮擦拭。

1.2 實驗設備與方法

激光焊接設備包括美國IPG產MFSC-500W光纖激光焊接器、10 m φ200 μm光纖、德國Precitec激光焊接頭等。激光氮化配置德國進口Precitec光纖激光加工頭單元，其結構照片如圖1a所示，激光系統采用美國IPG產MFSC-500W光纖激光器，如圖1b所示。焊接工藝參數如表5所示。1Cr17Ni2居中放置在基體金屬27SiMn上進行焊接。每次焊接有6道工序，焊接順序為由左至右，以板材對稱軸為中心，每道焊縫相距2 mm，每道焊接工序之間的冷卻時間為15 s，焊接后的試件如圖2所示。

1.3 焊接形變的測量

由于在焊接板材的裝配過程中難免出現定位的誤差，導致焊接路徑并非嚴格按照對稱軸進行，從而出現焊接中心路徑左右長度不相等的現象。為了盡量減少誤差，使用等比測量的方法，首先測量板材兩端距離中心焊縫的距離a，再測量翹起整體的高度h，再用h減去27SiMn合金鋼板的厚度和1Cr17Ni2的厚度就可大體算出板材在兩端的變形量d1，然后根據等比公式計算

由于板材的形變角度不大，故可以近似地將板材厚度直接減去，d1的估計誤差值在±0.05 mm以內。

2 實驗結果與分析

調整激光功率，在不同參數下對試件進行焊接。在Marc有限元軟件中設置相應條件，進行同等情況下的數值模擬。實驗結果與模擬結果的對比如表6所示，實驗和模擬變形量分別與焊接參數的關系曲線如圖3所示，不同激光功率和焊接速度下實驗與模擬變形量對比分別如圖4、圖5所示。由圖可知，實驗與模擬的結果出現了一定的誤差，且偏差值穩定在7%。出現實驗誤差的原因可能是：焊接過程中的人為操作導致數據的偏差，如板材在切割時出現尺寸偏差，在測量時肉眼觀測出現偏差等。模擬中出現偏差的原因可能是：材料物理參數的不足或者與實際材料出現偏差[13];初始溫度場的設置與現實環境的偏差;焊接熱源與模擬熱源數據（熔寬、熔深等）的差別等。這些因素都會引起最后結果與實際情況出現誤差[14]，利用Marc有限元軟件可以較為準確地預測焊接模擬的走向，可根據模擬結果對材料進行預處理以減少焊后應力。

綜上可知，在其他條件完全相同的情況下，板材變形程度與焊接功率成正比，與焊接速度成反比。其原因是：功率越高，焊接速度越小，板材在單位時間內吸收的熱能越高，表面溫度提升得越快，導致板材上、下表面溫差增加，溫差的存在導致材料出現焊接應力場，應力場中的彎矩應力會引起材料變形。板材的溫度差越大，彎矩應力越大，材料的彎曲變形也越大。

3 焊接變形的控制與矯正

3.1 剛性固定法

剛性固定法是一種采用外加固定約束的方法，可減小材料的焊接變形，但是不能完全消除。該方法適用于焊接1Cr17Ni2薄板，并且對于厚度小于10 mm的板材都適用。外加的固定約束為焊接平臺上的夾具，如圖6所示。

單個夾具施加剛性固定的范圍僅為20～60 mm，本次實驗夾取材料兩端各20 mm，模擬位移約束如圖7所示。在添加外界約束力的情況下，以激光功率400 W、焊接速度0.8 m/min進行實驗和模擬。實驗時必須，待焊件完全冷卻后才能去除位移約束，否則會導致材料在冷卻過程中因殘余應力的存在而發生變形。實驗與模擬數據對比見表7，1Cr17Ni2材料在施加位移約束后變形量大幅減小，實驗減小的變形量達到95.3%，有限元模擬中減小的變形量達到95.9%。

1Cr17Ni2材料Z方向的應力分布云圖和Z方向位移分布云圖分別如圖8、圖9所示。

由圖8可知，殘余應力集中分布在焊縫周圍，最大值為665 MPa，未達到母材的屈服強度，在到達位移約束處后，殘余應力基本歸于零，說明外界強制施加的約束明顯減少了殘余應力。

由圖9可知，1Cr17Ni2材料整體Z向變形量都很小，最大值不超過0.088 4 mm。其變形趨勢和未施加夾板約束的趨勢大體相同，焊縫區域出現了明顯下凹，如圖10所示，但是在施加夾具后Z向位移大大減小，說明位移約束的施加對于減少焊接變形具有明顯作用。實驗與模擬不同之處為：實驗中出現的變形仍然是V字型變形，原因是實驗使用的夾具并不是完全剛性約束，存在著一定的松動。

就模擬結果而言，焊后殘余應力集中在焊縫區域且大幅降低至母材的屈服極限以下;Z向變形量更是大幅度減小，最大值不超過0.088 4 mm。所以可以認為剛性約束對控制焊接變形具有極好的效果，也證明了剛性固定法對約束材料的焊接變形具有良好且明顯的作用[15]。

3.2 預應力法

預應力法是指通過外加應力的作用或者通過高溫加熱預先建立起應力場，從而減小焊后殘余形變的方法。預應力法的作用方式如圖11所示，外加應力可以平行或垂直于焊縫方向。由于事先在焊件兩端添加了外力，所以在焊接接頭移動過程中，受焊接熱源影響大的位置更容易發生屈服，那么材料引起變形的區域將以非彈性形式發生變形，從而有效地抑制材料焊接后的縱向收縮形變[16]。同時，在焊接變形過程中，由于溫度場分布不均勻產生的應力與預先建立的應力場相互重疊，有效地改善了材料整體的形變應力分布，待焊縫冷卻后再去除預先施加的應力，應力場即使已經消除，但是相較于原來的情況，焊接變形會明顯減少甚至消失，這就是預應力法的作用機理[17]。

本文在MSC.Marc有限元軟件中模擬了不同拉伸預應力條件下的焊接實驗，在焊接功率為500 W、焊接速度0.6 m/min條件下，分別施加400 N、600 N、800 N的拉力，拉力方向與焊縫垂直。將不同拉力條件下的相同點的變形量進行整合，整合結果如圖12所示。由圖可知，在不同的拉應力下，材料焊接后的殘余形變不同，相比于未添加拉力的狀態，在400 N、600 N、800 N條件下，板材的焊接變形減少量分別為18.5%、24.6%、29.3%。說明在其他條件相同情況下，拉應力越大，板材的變形程度越小。

4 結論

本文通過有限元模擬軟件Msc.Marc對1Cr17Ni2材料在27SiMn上的包覆焊進行了實驗和數值模擬，對比分析如下：

（1）焊接速率不變、激光功率越大，Z軸變形量越大。實驗與模擬的Z軸變形量均在2 mm左右，實驗與模擬結果之間的誤差約為6.89%。

（2）激光功率不變、焊接速率越小，Z軸變形量越大。實驗與模擬的Z軸變形量均在2 mm左右，實驗與模擬結果之間的誤差約為4.69%。

（3）在激光功率400 W、焊接速度0.8 m/min條件下，在實驗和模擬中利用夾具對板材進行剛性位移約束，焊件變形量分別減少了95.3%和95.9%。同時通過預應力法對焊接變形進行了模擬矯正，在400 N、600 N、800 N拉力下，板材變形量分別減少了18.5%、24.6%、29.3%。說明通過剛性位移約束和預先施加應力可以有效地減少焊接變形量。

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