SUS301L不等厚薄板點焊熔核與殘余應力

李婭娜，簡志松，劉嘉浩，張生芳

(大連交通大學，遼寧 大連 116028)

0 前言

電阻點焊有熔核氣密性好，冶金過程簡單，焊后工藝處理簡單及良好的焊接經濟性等優點[1-3]。所以在軌道交通裝備制造行業是一種常用的工件聯接方法。在軌道車輛生產制造中，經常出現將不銹鋼材料不同厚度的板材點焊在一起的情況，這就使得不等厚板焊點質量和強度的研究有重要的意義。目前點焊評價標準都是以等厚板為前提，而且未給出具體工藝參數的影響，點焊的熔核形貌和強度不滿足實際條件，需要通過試驗進行研究，這就增加了制造成本，降低生產效率。運用數值模擬的方法，可以對點焊工藝進行仿真，研究不同的工藝參數對焊點質量和強度的影響，這對工程實踐具有很好的指導意義。

焊接電流、電極壓力、焊接時間等是影響點焊質量的重要因素[4-5]。孫芳芳[6]利用有限元分析軟件ANSYS建立鋁合金點焊模型，采用數值模擬的方法對鋁合金的點焊機理和影響因素進行研究。馮浩宇等人[7]通過建立超高強度熱沖壓鋼的點焊過程有限元模型，采用固有應變理論，對不同焊接工序和焊點分布的焊后殘余變形情況進行了研究。孟根巴根等人[8]通過試驗研究了CR340/590DP雙相鋼的點焊工藝性。王鵬博等人[9]通過試驗研究了PC780鍍鋅復相鋼的電阻點焊過程的電流情況、顯微組織結構及力學性能，并評估了電極的使用壽命。王宜文[10]通過試驗研究了不等厚異質高強度鋼點焊后的顯微組織和力學性能。楊巍華[11]通過試驗和數值模擬的方法研究了不等厚低碳鋼板點焊的熔核機理。通過文獻調研，點焊過程的研究是焊接領域研究的熱點話題，但是針對不等厚板點焊熔核和焊后殘余應力同時進行分析數值分析的研究卻很鮮見，且殘余應力的測量過程較為復雜，通過數值模擬是一種很好的獲取殘余應力的方式。

文中使用專用焊接模擬軟件對不等厚不銹鋼板點焊過程進行數值模擬，對比試驗觀察了熔核形貌，研究了焊接電流、電極壓力及焊接時間對點焊焊后等效應力的影響。

1 有限元模型

1.1 幾何和網格劃分

試驗與仿真采用40 mm×40 mm×1.5 mm和40 mm×40 mm×0.8 mm尺寸的工件進行焊接，模型采用0.4 mm的六面體網格，單元總數60 000個，節點數81 608個。

1.2 仿真參數設置

仿真模型如圖1所示。在點焊結束后將夾具卸載，讓工件自由冷卻至室溫。點焊過程采用單脈沖點焊，設置預壓時間1 000 ms，焊后保持時間600 ms，焊接工藝圖如圖2所示。設計了15組點焊工藝參數，點焊工藝參數見表1。其中，1～5號、6～10號及11～15號分別用以研究焊接電流、電極壓力和焊接時間對焊后等效應力的影響。

圖1 仿真模型

圖2 點焊工藝圖

表1 點焊工藝參數

2 仿真熔核分析

觀察分析熔核的直徑和熔核厚度的變化，如圖3所示。仿真結果與試驗結果對比見表2及圖4～圖6。通過仿真得到點焊過程的熔核形貌，測量熔核直徑和熔核厚度，仿真結果與參考文獻[12]對比。

圖3 不同焊接電流熔核形貌對比

圖4 不同焊接電流下仿真及試驗結果趨勢對比

圖5 不同電極壓力下仿真及試驗結果趨勢對比

圖6 不同焊接時間下仿真及試驗結果趨勢對比

由試驗結果發現，點焊熔核隨著焊接電流的增大，小電流時無熔核，隨后逐步增大。由仿真結果發現，焊接電流為7.0 kA和7.5 kA時，出現極小熔核，熔核出現在厚板區域，產生了嚴重偏移，對于工件聯接沒有貢獻，因此可認為未形成有效熔核。隨后的熔核形貌與試驗結果相似。結合表2中的測量結果，可認為仿真的熔核形貌與試驗結果相同。

表2 不同焊接工藝參數結果對比

通過仿真結果與試驗結果的對比，仿真后熔核直徑和熔核厚度與試驗結果有著相同的變化情況，從而驗證仿真模型的可行性。不等厚板點焊熔核向厚板一側偏移，等厚板點焊的熔核往往在兩側均勻分布。在點焊工藝參數不合理的情況下，會出現熔核只出現在厚板側的情況，這將大大降低點焊聯接的強度。在保證不焊透的前提下，較大的熔核，會對提高工件之間的聯接區域，使得有更優的聯接質量。

3 焊接等效應力計算與分析

在驗證仿真模型可行性的基礎上，進行不同焊接工藝參數的數值模擬，分析焊后自由冷卻至室溫的等效應力情況。

3.1 焊接電流對焊后等效應力的影響

在保證電極壓力和焊接時間不變的條件下，以焊接電流為變量，等效應力云圖如圖7所示。

圖7 不同焊接電流下焊后等效應力云圖

根據等效應力云圖可以看出，其余條件相同，隨著焊接電流的增大，焊后的高應力區的分布逐步擴大。探究其原因，隨著電流強度的增大，工件中的電流密度也隨之增大，產生的熱量也就增加，使熔核直徑和熔核厚度增大，在冷卻時，熔核區的金屬對周圍金屬的拉伸作用增強，因此高應力區增大。

3.2 電極壓力對焊后等效應力的影響

在保證焊接電流和焊接時間不變的條件下，以焊接電流為變量，等效應力云圖如圖8所示。

圖8 不同電極壓力下焊后等效應力云圖

根據焊后等效應力云圖可以看出，隨著電極壓力的增大，焊后等效應力的高應力區減小。探究其原因，隨著電極壓力增大，工件產生更大彈塑性變形，使工件與工件之間、電極與工件之間接觸面積增大，同樣的電流流過了更大的導電面積，導致電流密度減小，產生的熱量減小。在冷卻時，產生熱量小的焊接過程更快冷卻，且熔核區域的材料對熱影響區的拉伸作用較弱，故隨著電極壓力增大，焊后等效應力的高應力區減小。

3.3 焊接時間對焊后等效應力的影響

在保證焊接電流和電極壓力不變的條件下，以焊接電流為變量，等效應力云圖如圖9所示。

圖9 不同焊接時間焊后等效應力云圖

根據焊后等效應力云圖可以看出，隨著焊接時間的增加，焊后等效應力高應力區域擴大。探究其原因，隨著焊接時間增加，相同情況下會產生更多熱量，使熔核中心區域溫度更高。在冷卻時，溫度變化更急劇，熔核中心區域對熱影響區的拉伸作用更劇烈，因此等效應力的高應力區更大。

觀察圖7～圖9焊后等效應力分布，有共同規律：厚板應力高于薄板應力；高應力區主要分布在熔核邊界的熱影響區和厚板的焊點處。探究其原因，在裝夾釋放后的冷卻過程中，工件材料自拘束作用仍然存在，厚板自拘束能力相比于薄板更強，故厚板應力高于薄板。同時，薄板的散熱速度快于厚板，這也是應力呈現這種分布的一個原因；在點焊過程中，熔核區域溫度較高，在冷卻時，熔核區域金屬快速冷卻凝固，由于熱脹冷縮作用，使熱影響區金屬受到拉伸作用，因此熱影響區呈現高應力狀態。

選擇合理的點焊工藝參數，可讓不等厚板中產生合適的熔核，提高焊點質量，使焊后殘余應力降低，這可以提高點焊聯接強度。

4 結論

(1)改變焊接電流，在小電流時，試驗和仿真均未出現合理的熔核，隨著電焊接流增大，熔核的直徑和厚度都增大；改變電極壓力，隨著電極壓力增大，仿真和試驗得到的熔核直徑和熔核厚度都隨著增大；改變焊接時間，仿真和試驗得到的熔核直徑均表現為先增大后減小再增大的趨勢，熔核厚度表現為先增大后減小的趨勢。仿真結果與試驗結果有相同的變化情況，驗證了仿真模型的可行性。

(2)隨著焊接電流的增大，焊后的高應力區的分布逐步擴大；隨著電極壓力的增大，焊后等效應力的高應力區減小；隨著焊接時間的增加，焊后等效應力的高應力區域擴大。

(3)厚板應力高于薄板應力，且高應力區主要分布在熔核邊界的熱影響區和厚板的焊點處。