不銹鋼薄板激光焊接頭變形及預測研究進展

張 楊，陳捷獅，周 斌，張文帥，仇晨龍，楊尚磊

1.上海工程技術大學，上海 201620

2.上海市激光智能制造及質量檢測技術服務平臺，上海 201620

3.中國船舶重工集團公司第七研究所，上海 201108

0 前言

隨著向輕量化和精密化發展的趨勢，不銹鋼薄板因其表面光滑、抗蝕性等優良性能在微電子儀器、醫療設備、航空航天、精密儀器制造等行業具有廣闊的發展空間［1-3］。0.1 mm厚不銹鋼薄板是制造新能源電池雙極板的主要材料［4］。連接不銹鋼的首要方法是焊接，約25%的不銹鋼需要經過焊接方能使用［5］。目前薄板的焊接方法有電磁脈沖焊接［6］、冷金屬過渡焊接［7］、TIG 焊接［8］、攪拌摩擦焊［9］以及高能束焊接（比如等離子弧焊［10］、激光焊［11-18］）。在各種焊接技術中，激光焊接具有低干擾性、焊后形變小等優點被廣泛采用，被認為是焊接薄板的首要選擇［19］。研究激光焊接工藝對焊縫成形的影響有利于加強對焊接變形的預測和控制。薄板相較于厚板更容易發生變形，尤其是對板厚敏感的屈曲變形嚴重影響著焊縫質量和部件安全［20］，屈曲變形產生的形狀誤差對產品裝配的精度和服役壽命產生負面的影響［21］，因此研究薄板焊接變形的機理和規律具有重要意義。焊后變形的矯正成本昂貴，且變形的不一致性不利于實現自動化生產，影響生產效率，不符合時代背景。在已知變形的情況下對工件進行反變形法處理控制焊接變形是可取的［22］。因此不同工藝條件下的焊接變形預測也變得十分重要［23］。

本文基于薄板互聯結構在各運載行業應用的重要性，以薄板結構激光焊接工藝特點為輔，焊接變形機理及預測為主的研究脈絡，系統論述了激光焊接工藝下焊縫幾何尺寸的研究現狀，以熔池邊界構造幾何函數研究焊縫幾何尺寸對焊接變形的研究進展，概括性總結了焊接變形預測的關鍵技術、創新思路，旨在推動新型薄板輕量化結構在各制造行業的廣泛應用。

1 激光焊接對焊縫幾何尺寸的影響

激光焊接是一種以高功率密度熔化母材形成焊接接頭的遠程加工的焊接方法。如圖1 所示，與其他焊接方法相比，激光焊接具有能量更集中、熱影響區范圍小等特點［24-26］。焊縫的幾何尺寸包括熔化深度、熔化寬度、余高、焊趾角度等，以往研究表明不同的激光焊接工藝下，具有不同的焊縫幾何尺寸和微觀組織甚至是不同的缺陷［25，27］。在激光焊接中，焊縫幾何形狀受到激光功率、焊接速度、離焦量以及約束條件等主要因素影響。一般條件下，熔深和熔寬與激光功率呈正相關，與焊接速度呈負相關。而離焦量主要影響焦點進入工件的距離，如果焦點進入工件則得到如圖2 所示沙漏形狀的焊縫。Hao 等［28］采用3 mm 厚的304 不銹鋼進行光纖激光振鏡焊接實驗，研究振蕩參數對焊縫成形的影響。研究發現：隨著頻率的增加，焊縫形狀由粗釘形依次變為V形和U形。

圖1 不同焊接方法的HAZ尺寸和穿透深度［26］Fig.1 HAZ size and penetration depth of different welding methods［26］

圖2 離焦量為-2 mm時熱輸入對焊縫幾何尺寸的影響［29］Fig.2 Effect of heat input on weld geometry with -2 mm defocus［29］

為了更準確、更清晰地描述焊接工藝對焊縫成形的影響，部分學者開始引入熱輸入，熱輸入的定義為單位長度上輸入工件的熱量，其定義式為Q=P/v（式中Q為熱輸入，P為激光功率，v為焊接速度）。研究結果表明：熱輸入對焊縫尺寸有直接影響［29］。如圖3 所示，熱輸入的增加導致了大熔寬、高熔深。值得注意的是，A5、A9、A10三個樣品都是由于大的熱輸入而被熔透，同時，大的熱輸入產生的更大尺寸的熔池導致飛濺產生；另一種可能是，大的熱輸入照射到母材時就使得母材汽化，這兩種方式都會導致母材的熔融金屬量少于需要的熔融量形成焊接缺陷。隨著熱輸入增加到100 J/mm時，焊縫中出現了氣孔，這可能如前所述，是熔池在空氣中劇烈反應導致的結果。

圖3 焊接功率和焊接速度對焊縫形狀的影響［25］Fig.3 Effect of welding power and welding speed on weld shape［25］

為了更加直接地描述激光參數的三個變量，引入能量密度概念。能量密度定義為單位面積上輸入工件的能量，其定義式為E=P/（v·F），式中E為能量密度，F為離焦量。研究表明，能量密度對焊縫幾何形狀有明顯影響［12］，光斑直徑減小和焊接速度增加都能實現能量密度恒定，在確定的能量密度下，熔深隨著光斑直徑減小和焊接速度增大而增大。光斑直徑小和焊接速度快的組合可以實現更快、更好、更高質量的焊接。

夾具不同的安放位置也會導致進入母材的能量不同，夾具位置距離焊縫越近，較大部分的能量會進入夾具散失在空氣中而非進入母材，而且由于熱量的散失會導致較窄HAZ的出現，從而提升焊縫的力學性能［30］。

為了使焊接接頭具有可接受的焊接輪廓和焊接質量，應仔細選擇保護氣體，不同的保護氣體對焊縫幾何形狀的影響示意如圖4 所示，由圖可知不同種類保護氣體下得到的焊縫熔深雖有不同，但是差距不大。因此，焊縫熔深受到保護氣體種類的一定影響。

圖4 不同保護氣體導致的焊縫截面形狀［26］Fig.4 Weld section shapes due to different protective gases［26］

脈沖激光焊接薄板的標準重要性如表1 所示。脈沖時間及焊接速度對激光焊接變形和熱影響區直徑的影響最大。研究還表明［28］，焊接從鎖孔模式轉變為不穩定模式和從不穩定模式轉變為熱傳導模式的焊接速度閾值分別為24 m/min和48 m/min，這說明焊接速度也會顯著影響熔池的形狀和尺寸。焊接速度日益成為研究重點，焊接速度的提高不但可以減少變形，還能提高生產率。但是為了制備所需質量的焊縫，需要在正式實驗之前評定出合理的能量密度范圍和工藝窗口［31］。

表1 焊接參數對工藝標準的影響程度［32］Table 1 Impact degree of welding parameters on process standards［32］

2 焊縫幾何形狀與焊接變形的關系

母材與激光發生復雜的冶金反應形成熔融的金屬即熔池，不同的熔融金屬體積和微觀組織分布及含量會影響肌鍵力的大小，可由公式Ft=200Q計算出大小［33］。將焊縫三維模型轉變為焊縫橫截面二維模型可以簡化問題。為了更加準確描述橫截面上的焊縫幾何形狀對焊接變形的影響。由已知熔合線邊界如何準確有效地預測激光焊接引起的角度變形是一個難題，Yi等［21］針對圖5a所示的三種典型焊縫形狀，提出了以圖5b熔池邊界為參考的三種函數，利用函數切線的改變量來表示角度變形的大小，各階段角度變形量與焊縫幾何尺寸函數關系如式（1）、式（2）、式（3）所示。這種方法以固有應變法得出的橫向收縮轉換為比例系數，通過幾何關系得出角度變形量。通過函數關系式可以看出，不同的焊縫幾何形狀得到的角變形不同。這也從實驗上和理論上證實了焊縫幾何形狀與焊接變形具有相關性。

圖5 典型焊縫形狀和焊縫幾何參數示意［21］Fig 5 Typical welding beam shape and schematic diagram of weld geometric parameters［21］

3 不銹鋼薄板焊接變形預測

工藝參數很大程度上會影響焊接變形，焊接變形的預測也一定程度上依賴于薄板激光焊接工藝的特點?？焖偌訜岷屠鋮s使得焊接變形成為不可避免的缺陷，理解變形的機理是減少缺陷的首要前提。焊后修正和消除變形既耗費成本，且效果不好。為了改善這一問題，須在焊接前采取熱彈塑性法或者固有應變法等預測焊接變形的方法提前預知變形并采取控制措施［35］。

3.1 變形的機理

理解變形的形成機理有助于更好地從源頭上對變形提出有效控制措施。如圖6 所示，在焊接過程中激光光斑照射的區域發生最大的焊接變形，并且變形呈現出相對于初始平面向上的面外變形，在原來激光光斑停留的地方產生相對向下的變形。隨著激光光斑移動，最大變形位置也開始移動，當焊接完成時，構件的最大變形發生在焊縫末端及焊尾（見圖6b）。在冷卻過程中，熔池金屬開始收縮，最大的變形發生在焊縫兩端；而遠離焊縫的區域變形量逐漸減小，最終整個板材形成馬鞍狀（凹凸凹形狀）。

圖6 激光焊接工藝中焊接板的三維焊接變形輪廓Fig.6 3D welding deformation profile of the welding plate in the laser welding process （P=1 100 W，v=8 mm/s，D=0 mm，G=15 L/min）［11］

焊接變形的產生是加熱和冷卻循環期間不均勻的溫度梯度導致在焊接接頭中產生了不均勻的應力，使得剛度較低的薄板產生變形。從力學的角度講：激光照射到的區域及附近區域的溫度高于遠離激光光斑的區域。高溫部分的區域受熱開始膨脹，但受到周圍低溫區域的阻礙，會在焊接接頭中形成應力。在焊接過程中，高溫金屬熱膨脹時的熱應力為σp，遠離焊縫的低溫區域受到拉應力σt。當σp>σel（材料屈服強度）時，熔池會壓縮構件將熱膨脹轉變為壓縮塑性應變，這種應變是不可逆的［11］。如圖7a 所示，紅色區域表示由熱應力引起的彈性應變，這種應變是可逆的，在冷卻過程中，彈性應變得到釋放，熔池內部開始收縮，由于熔池邊界不同受到不同方向上的力，產生不同的角度變形，如圖7c所示。

圖7 焊接角度變形機理示意Fig.7 Schematic diagram of the welding angle deformation mechanism

3.2 焊接變形的預測

到目前為止，有兩種常用的理論可以預測焊接變形。一種是熱彈塑性有限元法，這種方法適用于中小型模型，因為通常需要較長的計算時間；另一種是針對大結構焊接的固有應變法。然而，當使用固有應變法估計焊接變形時，必須事先獲得固有變形［35］。熱彈塑性分析和固有應變分析計算的結果都接近于測試測量結果［36］。

熱彈塑性法可以跟蹤焊縫每個時刻的溫度場與應力應變場。該方法分為直接耦合和間接耦合，在實際使用中，由于應變產生熱的效應并不明顯，而且直接耦合相比于間接耦合需要求解雅可比矩陣，需要更多的計算資源，因此常采用間接耦合的模式來進行焊接熱力耦合分析計算。焊接過程中每個節點的溫度分布可以由控制方程進行計算求解。因此熱源模型及其參數是決定模擬結果與實驗結果誤差的關鍵所在。對于激光焊接而言，因其大深寬比的特點，目前使用最廣泛的熱源有半橢球體熱源［37］、錐體熱源模型［24］、組合熱源如上部球形加下部錐形［38］等。如圖8a、8b、8c 所示常用于激光復合焊接，圖8d、8e、8f常用于單光束激光焊接。表2列出了部分熱源模型的實驗與模擬誤差大小。關于熱源的校核，可以采用模擬得出的溫度場和實驗得出的焊縫形狀進行對比調整，也可以通過模擬得出的應力場和實驗測得的應力場進行比較并調整。網格的劃分決定模擬的精度和計算量，甚至會決定模型的收斂性。在一般情況下，為降低偏差和提升計算效果，在焊縫及近縫區劃分密網格，在遠離焊縫處采用大尺度網格等。在分割網格時，還必須注意網格的連續性問題。在保證準確度的前提下，提高效率主要有如下三種方式：過渡性網格劃分技術［37］、結構單元代替連續實體單元［39］、采用自適應網格劃分技術［40］。這些技術既保證了精度要求，也兼顧了計算資源成本。根據經驗判斷，通常情況下焊縫區的網格尺寸至少不應大于熱源模型特征尺寸的50%，網格尺寸越大，則峰值溫度越高，這是對中心熱輸入的過度計算的結果。隨著網格尺寸的減小，差異逐漸減小。在m=0.31re 的情況下（re 為5%中心熱源能量的半徑），峰值溫度的誤差約為1.5%。時間增量步dt對于峰值溫度的影響較大，當dt較大時，熱循環曲線前半部分出現振蕩的現象。使用dt=0.015 s 和dt=0.025 s 預測的熱循環曲線相對平滑［41］。單個因素的影響都是由上限的，因此討論網格尺寸和時間增量對于峰值溫度的影響是有必要的。如圖9所示，可以很清晰地看出，網格尺寸對于峰值溫度影響不如時間增量步對其的影響，而且網格尺寸逐漸增大，峰值溫度有先升高后降低的分布規律。而隨著時間增量步的逐漸增加，峰值溫度逐漸增加，并且幅度越來越大。材料高溫性能參數的選擇也決定了模型的可靠性、誤差精度、收斂性，甚至有時還會導致鎖死現象［42］。部分學者［43-44］采用熱力學計算軟件計算材料的高溫性能參數，模擬出的結果誤差小。最后，為了更加準確地描述焊接過程，應采用單元生死技術描述焊縫金屬的熔覆現象，為工業生產提供了一定的技術支撐［45］。

表2 各種熱源對比誤差［15］Table 2 comparative error diagram of various heat sources［15］

圖8 常見熱源模型幾何示意［15，24，37，38，46］Fig.8 Geometric schematic diagram of the common heat source model［15，24，37，38，46］

圖9 網格尺寸與時間增量步之間的相關效應對峰值溫度的影響［41］Fig.9 Effect of correlation effects between grid size and time increment steps on peak temperature［41］

固有應變法也是一種分析大型結構件的模擬方法。首先需要計算出焊縫的固有應變，再通過有限元軟件進行計算，可以很大程度上減少計算時間。固有應變法和熱彈塑性法的對比如表3 所示。目前，兩者組合的研究成為熱點，通過熱彈塑性理論計算出塑性應變量，再施加到焊縫中通過固有應變法求解。這種方法得出的結果與實際的工廠數據相近，同時降低了計算成本和資源的使用［47］。計算時間比熱彈塑性有限元法中使用的時間短得多。對于汽車工業應用，基于固有應變理論的彈性有限元法是一種新興的模擬方法［48］。此外，基于大變形理論的固有應變法也能夠精確模擬焊接過程。

表3 熱彈塑性法和固有應變法的對比Table 3 Comparison of thermal-elastic-plastic method and inherent stress variation method

4 結論與展望

激光焊接工藝方法已在不銹鋼薄板結構互聯結構中展現出巨大優勢，并且成為焊接薄板結構的首要選擇。針對薄板焊接工藝特點及變形預測開展了研究，分析并總結了焊接工藝對焊縫幾何尺寸和變形預測的特點，并且取得了一定的研究成果。但現有的激光焊接工藝仍面臨著新的挑戰，焊接變形的精確預測及控制仍然是該領域的重點。

（1）從熱輸入和能量密度角度描述了激光功率、焊接速度、離焦量等因素對于焊縫幾何尺寸的影響。熔深和熔寬與激光功率呈正相關，與焊接速度呈負相關，離焦量改變進入或離開工件表面的距離實現熔深和熔寬的改變。另外還指出夾具和保護氣體也對焊縫幾何尺寸具有一定影響。

（2）不同的焊縫幾何形狀代表著不同的熔融金屬體積，從而導致整個焊縫過程中的肌鍵力不同，影響焊接變形?？偨Y了不同焊縫形狀對于焊縫角變形的公式。

（3）概括了熱彈塑性法和固有應變法預測焊接變形的現狀，尤其總結了熱彈塑性變形的熱源模型、網格尺寸、時間增量步的誤差，組合熱源具有更低的誤差。

（4）目前對于焊接變形的研究鮮見關注熔池流動和相轉變的研究，并且材料高溫性能參數的獲取也成為限制焊接變形精確預測的原因。另外，隨著現代工業輕量化進程加快，異種結構與材料的應用已經成為發展的必然趨勢。高強度、低密度的復合材料、非金屬材料的薄板結構激光焊接變形應受到關注。