焊接工藝對不銹鋼焊接變形的影響分析

吳飛虎，張鵬飛

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 九江 332007）

焊接是使用加熱或加壓手段，可添加填充材料，將焊件相互連接的加工工藝。由于焊接方法具有經(jīng)濟、靈活，節(jié)約材料和提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點，因此，我國焊接技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用廣泛[1]。目前工業(yè)產(chǎn)品，如船舶、車輛、橋梁、鍋爐等，以及各類工程和廠房建筑等的結(jié)構(gòu)部件，都使用焊接工藝。不銹鋼材料具有良好的耐腐蝕性能，同時兼顧焊件生產(chǎn)成本和使用壽命，在我國建設(shè)中十分重要。在不銹鋼加工中，焊接是不可或缺的加工手段。但生產(chǎn)中，不銹鋼焊接變形問題一直存在，焊接變形會造成焊接結(jié)構(gòu)的外觀尺寸偏差，對承載能力有較大影響，無法保證焊接結(jié)構(gòu)的使用性，嚴重的會導(dǎo)致無法裝配而報廢，降低生產(chǎn)效率，增加零件材料成本，同時增加生產(chǎn)制造成本[2]。不銹鋼零件市場巨大潛力與較高的生產(chǎn)成本，構(gòu)成了極大矛盾，改善這一問題勢在必行。因此如何降低不銹鋼焊接變形，減少生產(chǎn)成本，提高效率，具有重要研究意義。因此，本文進行焊接工藝對不銹鋼焊接變形的影響研究，為確定最佳焊接工藝法提供依據(jù)，有助于實現(xiàn)焊接變形控制。

1 實驗方案

1.1 實驗設(shè)備

選擇WF300型Nd：YAG脈沖激光焊接機，技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 激光焊接機技術(shù)參數(shù)

1.2 實驗材料

實驗焊接選擇單道平板對接，實驗選擇厚度為1mm的304不銹鋼板，用線切割機切割成長50mm、寬30mm的試樣，焊接前，用砂紙打磨，除去氧化膜，用丙酮清洗干凈。304不銹鋼化學(xué)成分如表2所示。

表2 實驗材料化學(xué)成分

1.3 選擇實驗參數(shù)

實驗選擇電流、脈沖寬度和激光頻率作為參數(shù)，具體見表3。

表3 實驗焊接參數(shù)

1.4 焊接變形測量裝置

將萬向節(jié)固定在可以左右移動的平臺上，通過左右移動測量出不銹鋼板縱向垂直高度變化，以垂直方向的偏移量作為衡量角變形的標準，這樣就能夠得到不銹鋼焊接變形量。

2 有限元模擬焊接過程

2.1 基本方程

焊接是局部快速加熱至高溫，然后快速冷卻的過程[3]。在此過程中，焊件溫度不斷變化，形成不均勻、不穩(wěn)定的溫度場。隨著溫度場變化，焊接材料的物理性能也產(chǎn)生變化。因此，焊接溫度場的模擬，屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。因此對焊接過程的有限元模擬，可以采用三維瞬態(tài)分析的方式。

三維熱傳導(dǎo)分析的溫度場方程為：

導(dǎo)熱時分三類邊界條件：

第一類，已知溫度值。

第二類，已知與周圍介質(zhì)熱交換。

第三類，已知熱流密度分布。

式中：qs為每單位面積輸入熱源；aT為表面換熱系數(shù)；Ta為介質(zhì)溫度；Ts為邊界溫度；nx、ny、nz分別為邊界外法線方向余弦。

采用有限元法求解時，通常是把求解微分方程，轉(zhuǎn)化為求解函數(shù)極值。但是對于非線性問題，很難找到相應(yīng)函數(shù)．此時可采用加權(quán)法，使微分方程的余量在加權(quán)下達到最小。

2.2 選擇模型

焊接時，電弧熱源通過加熱斑點，將熱能傳遞給焊件，其熱量分布中心多、邊緣少，因此熱源的熱流密度分布，可近似使用高斯函數(shù)表示。熱流密度表示為：

式中：qm為最大熱流密度；R為有效加熱半徑；r為至加熱斑點距離。

?2016年，全國公安機關(guān)共破獲電信網(wǎng)絡(luò)詐騙案件11．9萬余起，抓獲犯罪嫌疑人8．8萬余名。《公安部:2016年以來共破獲電信網(wǎng)絡(luò)詐騙案件11．9萬余起 上半年電信詐騙案件發(fā)案數(shù)同比下降12．3%》，《中國防偽報道》2017年第10期。

加熱斑點的最大熱流密度為：

Q為焊接有效熱功率。

2.3 模擬焊接溫度場

利用ANSYS軟件進行瞬態(tài)熱分析，主要有三個步驟：

（1）前處理，包括建立模型、定義單元、材料屬性材料、設(shè)置網(wǎng)格和生成有限元模型。

（2）施加載荷和求解，包括定義類型、初始條件、設(shè)定選項、邊界條件和運算。

（3）后處理，有兩種方式，通用方式可以查看某一時刻計算值，時間歷程方式可以查看隨時間變化的狀態(tài)。

2.4 模擬焊接應(yīng)力場

進行焊接應(yīng)力場模擬，要重新進入前處理，把熱單元轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元，定義彈性模量、熱擴散率和泊松比等隨溫度變化的材料力學(xué)性能；接著讀入熱分析節(jié)點溫度，設(shè)置構(gòu)件加熱初始均勻溫度；最后進行求解和后處理。

通過ANSYS有限元分析，對焊接過程模擬，研究激光焊接變形。模擬結(jié)果表明激光焊接的瞬時溫度場比較穩(wěn)定，熱源中心溫度高，周圍溫度逐漸降低；應(yīng)力場熱源中心處產(chǎn)生壓應(yīng)力，遠離中心出現(xiàn)拉應(yīng)力，冷卻后中心產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，遠離中心產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

3 焊接參數(shù)對焊接變形的影響

對1mm厚度的304不銹鋼板分別進行焊接電流、激光脈寬和頻率的單因素控制實驗，測量變形量，研究這三個參數(shù)對焊接變形的影響。

3.1 焊接電流的影響

對1mm厚度的304不銹鋼板在脈寬10ms，頻率3Hz條件下進行電流對焊接變形的影響實驗。結(jié)果如圖1所示，可以看出：焊接電流越大，變形越大。造成這種現(xiàn)象的原因是焊接電流與激光功率成正比，在其他條件不變的情況下，隨著電流增大，激光功率也隨之增大，不銹鋼材料吸收熱量增加，加快熔化成液態(tài)，隨后冷卻時會有更多液態(tài)物質(zhì)凝固成固態(tài)焊縫，收縮量也變多，因此導(dǎo)致焊接變形增大。

圖1 焊接電流對焊接變形的影響

3.2 激光脈寬的影響

對1mm厚度的304不銹鋼板在電流160A，頻率3Hz條件下進行脈寬對焊接變形的影響實驗。結(jié)果如圖2所示，可以看出：隨脈寬增大，焊接變形先減小后增大，中間存在極小值。這是因為脈寬與激光功率成反比，在其他條件不變時，一方面，隨脈寬增大，激光功率減小，不銹鋼材料熔化體積縮減，因此變形量減小；另一方面，隨脈寬增大，激光加熱時間增加，不銹鋼材料熔化體積增大，因此使變形量增大。所以在激光功率和加熱時間共同作用下，隨脈寬增大，焊接變形先減小后增大。因此，應(yīng)選擇極小值范圍脈寬，來減少變形量。

圖2 脈寬對焊接變形的影響

3.3 激光頻率的影響

對1mm厚度的304不銹鋼板在電流160A，脈寬10 ms條件下進行激光頻率對焊接變形的影響實驗。結(jié)果如圖3所示，可以看出：隨頻率增大，焊接變形先減小后增大，中間存在極小值。激光頻率影響相鄰兩點間距離，隨頻率增大，焊縫重疊率增大。頻率較低時，焊縫間距大，隨頻率增加，焊縫重合率增大，因此變形隨之減小；但頻率過快時，出現(xiàn)灼燒現(xiàn)象，變形反而很大。因此，應(yīng)選擇極小值范圍激光頻率，來減少變形量。

圖3 激光頻率對焊接變形的影響

通過以上實驗，分析得出在其他條件不變的情況下，隨焊接電流增大，焊接變形增大；脈沖寬度和頻率都存在一個最佳值使變形達到最小。

4 結(jié)束語

本文選擇焊接電流、脈沖寬度和激光頻率為研究參數(shù)，通過實驗分析，驗證不同參數(shù)對不銹鋼焊接變形的影響。本文研究還存在一定不足，影響焊件變形的焊接工藝參數(shù)還有很多，本文只選取了其中三個進行研究，存在一定局限性，此外本文只采用激光方式進行焊接，還有其他焊接方式可供實驗使用，后續(xù)應(yīng)進行更加深入的研究，進一步優(yōu)化工藝參數(shù)，以減小焊接變形，改善不銹鋼焊接工藝。