多層激光焊接接頭不均勻性的微觀組織和殘余應力形成機理*

程智勇，李曉娟，陳文尉，周歡偉

（廣州鐵路職業技術學院機電學院，廣州 510430）

0 引言

激光焊接接頭的金相組織演變和應力分布是受焊接熱循環過程的作用，因厚板焊接選取的多層焊接工藝受熱循環影響，形成焊縫厚度方向的應力和組織產生變化，使應力和組織分布不均勻，導致多層焊接接頭的壽命及性能受到影響。現有研究主要集中在焊接接頭激光及電弧、熱影響區域的應力和組織上，對于焊縫厚度方向的應力和組織分析較少，使多層焊接接頭不均勻性的應力和組織形成機理不清楚，對焊接接頭組織性能無法有效控制。為更好地研究多層焊接接頭不均勻性微觀組織和殘余應力，本文將微觀組織、數值模擬仿真和殘余應力分析相結合，構建應力場及溫度場模型，研究其接頭不均勻性的微觀組織和殘余應力形成機理[1]。

1 多層焊接應力場和溫度場模型構建

1.1 試驗方法

試驗材料為厚20 mm的Q345低合金鋼，采用YLS-1000型激光器，在激光打底自熔焊接過程中，可將焊接接頭與垂直焊接方向偏轉6°，如圖1所示。激光自熔打底焊接厚板T型接頭的過程如圖2所示，與對接焊接頭相同，為減小激光焊過程產生的飛濺對光路與焊接頭的不良影響，將焊接接頭與垂直焊接方向偏轉6°。焊接過程中采用100%Ar的保護氣，保護氣流量為1.5 m3/h。

圖1 對接焊厚板的示意圖

圖2 T型焊厚板的示意圖

1.2 相關的幾何模型

分析表明，激光焊接的過程較復雜，存在動態的熔池、電弧、熔滴和小孔等，并發生激烈的化學及物理反應，包括光致等離子體和小孔的形成、電弧高溫區域、激光與電弧的熱力分布、熔池流體動力學、金屬凝固過程及應力應變過程[2]等。

幾何模型設定條件如下：（1）工件初溫25℃；（2）焊接速度穩定，能量輸出恒定；（3）熔池內部現象可忽略；（4）焊接熱傳導可忽略。

焊件三維幾何模型的網格劃分通常采用疏密有致方式[3]；焊縫溫度較高，網格較密；網格采用較疏形式提高直觀計算精度[4]。所以，本文厚板對接焊縫具有載荷對稱分布，可采用1 mm與4 mm的網格單元，如圖3所示為多層厚板焊接建立的三維幾何模型。

1.3 材料參數

研究激光焊接溫度場變化應確定比熱、密度和導熱等參數的性能；研究其應力場應確定應力、熱膨脹系數、彈性模量和泊松比等參數熱物理性能。因為很多材料參數的熱物理性能在接近熔化狀態時變化，而且某項參數變化的趨勢隨溫度截然不同[5]。本文采用的Q345鋼各項參數的熱物性如表1所示。

1.4 單元類型

有限元法是把連續的幾何機構離散成有限多個單元。本文中所述的激光厚板小間隙多層焊接過程應力場和溫度場的有限元分析，研究應力場時單元的自由度選擇位移[6]，而研究溫度場時單元的自由度則是溫度。

在ANSYS單元庫中單元類型有多種，有三方面內容在選擇時需要考慮：（1）單元類型（p單元、四面體與線形）和單元自由度是否相融洽；（2）可非線性的瞬時分析；（3）厚板激光焊接條件下，應該采用三維實體單元。

1.5 熱源三維模型

對于激光焊接過程，功率較大，本文激光熱源采用三維錐體作為熱源模型[7]。針對厚板激光焊接工藝，分別模擬電弧與激光的加熱作用選擇雙橢球與三維錐體熱源；對于自熔激光焊接，運用熱源模型三維錐體進行焊接過程應力場與溫度場的模擬；而對于窄縫（小）間隙激光復合電弧焊接，則焊接過程應力場與溫度場將雙橢球和三維錐體復合熱源進行模擬。熱源模型三維錐體如圖4所示。

圖3 三維幾何模型

其熱流模型表達式為：

熱源模型雙橢圓球如圖5所示。

其熱流模型表達式為：

已知af、ar、b、c分別為雙橢圓球熱源參數；qf、qr分別為分布函數；Q為熱量輸入量；ff與fr為能量分數，則：

2 多層焊接接頭不均勻性微觀組織成因

上述對多層焊縫接頭不均勻性微觀組織方向由垂直或沿焊縫構成，現已有深入研究。因此，本文結合不均勻性微觀組織機理對多層焊縫溫度場建立模型分析。

在構建完成多層厚板焊接溫度場建模的基礎上，選用多層焊接溫度場參數的模擬仿真，溫度提取點溫度與時間關系如圖6所示。由圖可知，多層焊接過程中厚板各層焊縫的熱循環曲線有所不同：（1）焊縫的第1、2、3層與第4層的溫度峰值不盡相同；（2）焊縫的第1、2、3層與第4層的冷卻速度具有一定不同，從熔點到溫度線（500℃）所需要的時間分別為0.79 s、1.39 s、2.05 s和2.89 s。因此，焊接過程中，焊縫從下層到上層的溫度值上升，冷卻速度下降，焊縫的第1層由細小針狀體組成；其第2層由沒粗化的針狀與部分粗化的塊狀體組成；而第3、4層中組織的針狀體消失，全由粗化的塊狀體組成；第4層溫度高、冷卻速度慢，焊縫中鐵素體組織含量增加，馬氏體組織含量減少[8]。

除焊縫各層微觀組織具有不均勻性外，多層“激光-電弧”復合焊縫層與層之間微觀組織非均勻，進一步加劇了整體焊縫的不均勻性，且因焊縫層與層之間微觀組織為“層間鐵素體”，激光焊縫和復合“激光-電弧”焊縫的層間微觀組織，包含“層間馬氏體”區域且含“層間鐵素體”區域，與“激光-電弧”復合焊縫之間的層間微觀組織相比，不均勻性明顯較強。所以，為分析多層焊縫“層間鐵素體”區域和“層間馬氏體”區域的形成機理，對兩區域的熱循環特征進行研究，兩區域熱循環曲線與溫度提取點如圖7所示，形成微觀組織在多層焊縫層間不均勻性產生的最主要成因。

表1 Q345鋼的熱物理性能參數

圖4 熱源模型三維錐體

圖5 熱源模型雙橢圓球

圖6 多層焊接焊縫溫度與時間曲線

圖7 激光-電弧復合焊與激光焊層間區域熱循環曲線

焊接第2層過程中，層間區域溫度云圖如圖8所示，結合上述熱循環曲線的“層間鐵素體”區域和“層間馬氏體”區域[9]。

因此，激光焊接全過程均與熱循環密切相關。各層焊縫和層間焊縫等不均勻性微觀組織的形成，熱循環經歷程度不同位置是產生不同多層焊縫不均勻性微觀組織的原因。受焊接工藝影響，層間焊縫的熱循環過程不同是由上層及下層熱作用不同程度導致的。

圖8 焊接第2層過程中層間區域溫度云圖

除此之外，材料自身的金屬固態相與相變溫度區域也對焊縫多層不均勻性的微觀組織形成一定影響。如圖9所示，圖9（a）～（c）分別為316L奧氏體鋼多層焊接最上層、中間層與最下層焊縫區間的微觀組織。

圖9 多層焊縫的微觀組織

因此，多層熱循環激光焊接、金屬材料自身的基本相組成與溫度區域相變產生不均勻性多層焊接焊縫組織具有明顯影響，Q345基本相有較復雜組成，相變溫度較寬、溫度較低，在熱循環作用下，多層激光焊接過程容易形成顯著的微觀組織不均勻性。

3 多層焊接接頭不均勻性殘余應力形成機理

上述結果表明，多層焊縫各層與層間存在不均勻性的殘余應力。因此，本文主要采用與實際激光焊接過程工藝參數相同，并結合多層焊接應力場模型進行多層焊接接頭不均勻性殘余應力，形成機理的分析過程如圖10所示。

（1）多層焊接接頭不均勻性殘余應力的成因，對1～4層焊接焊縫中點處的應力與時間關聯曲線進行分析，可以看出，1～4層焊縫的殘余應力值變化逐漸增大，產生這種不均勻殘余應力分布現象的原因和各層焊接焊縫工藝過程有關，上至下層焊接時熱量逐漸減少，焊接速度降低，使焊接殘余應力與變形不斷加劇，形成多層焊接接頭各層焊縫產生不均勻性殘余應力[10]。

圖10 各層焊縫應力隨時間變化曲線

圖11 焊縫層間位置應力變化曲線

（2）對于多層激光焊接接頭焊縫層間區間不均勻性殘余應力的成因，以層間最強不均勻性的激光焊接和復合的激光-電弧焊層為對象，提取相關層間鐵素體與馬氏體區域等層間不同應力與時間變化的曲線，如圖11所示。由此得出，因為層間區間實際是在下層焊縫的熱感應區是上層焊縫，所以層間區域和上下兩層焊縫受熱脹冷縮的影響，層間區域大于上下層焊縫的殘余應力值；對于層間區域，“層間馬氏體”區域大于“層間鐵素體”區域的殘余應力，原因在于上、下層焊縫不均勻熱處理作用，越接近重熔線的溫度越高，上下兩層焊縫變形量以及相變程度都大于離開重熔線較遠位置區域，層間不均勻應力性的產生致使存在較大的殘余應力。因此，多層焊接過程中，熱循環不均勻性導致不同位置的變形量和相變程度具有一定差異，使得各層焊縫和焊縫層間區間存在不均勻殘余應力，形成不均勻性的多層焊接接頭殘余應力分布。

4 結束語

通過對多層焊接接頭微觀組織和殘余應力的研究，熱循環不均勻的作用是使多層焊接接頭焊縫產生殘余應力和微觀組織不均勻性的主要成因；焊縫各層殘余應力和微觀組織不均勻性的產生與各層焊接工藝的差異性有關；焊縫層間殘余應力和微觀組織不均勻性的產生與上、下層焊縫重熔線距離及熱處理作用有關；此外，復雜基本相、相變溫度低、相變溫度區域寬的金屬材料具有顯著的殘余應力和微觀組織不均勻性形成趨勢。