焊接道數和層間溫度對5083鋁合金多道焊對接接頭焊接殘余應力和變形的影響

廖娟，程鵬，陳慶順，湯小瑞，邱波

1.西南交通大學 希望學院，四川 成都 610400

2.國網四川省電力公司 成都供電公司，四川 成都 610041

0 引言

5083鋁合金是一種具備中等強度的鋁鎂系合金，具有良好的焊接性能和耐腐蝕性能，被廣泛應用于軌道車輛的廂體結構焊接生產中［1］。對于關鍵承重結構，一般采用中厚板進行多層多道焊接。由于鋁合金的熱導率和熱膨脹系數較高，中厚板焊接時熱量難以凝聚，焊后冷卻速度快，在焊縫中容易產生較大的殘余應力甚至裂紋，并引起工件變形［2］。焊接殘余應力分布不僅受到熱輸入、材料性能、焊道數、結構尺寸、約束條件和工藝順序等因素影響［3-4］，而且受到層間溫度的影響，相對于單道焊更復雜，對其預測更具有挑戰性。因此，多層多道焊接殘余應力精確的預測有助于合理設計焊接結構和確保結構安全。

杜文普［2］等以25 mm 6005A-T6鋁合金為研究對象，采用Sysweld軟件對其多層多道焊接變形與殘余應力進行數值分析，并提出施加適當反變形可有效減小焊接變形。Ca?as J等［5-6］采用有限元方法模擬5083鋁合金平板對接接頭MIG焊接殘余應力，并采用盲孔法進行驗證；Cheng［7］分析比較了鋁合金不同坡口角度 對 殘 余 應 力 的 影 響；Lu等［8］對鋁合金對接、搭接、T形接頭焊接殘余應力進行數值模擬；廖娟［9］在考慮相變的情況下，對鋁合金管對接焊接殘余應力分布進行模擬，研究表明考慮相變能更準確地模擬焊接殘余應力；寧佶［10］使用Marc通用有限元軟件對不銹鋼厚板多層多道焊過程進行數值模擬，研究層間冷卻時間對焊接殘余應力和變形的影響。

綜上所述，已發表的研究成果大多是對鋼的多道焊和鋁合金的單道焊進行分析，文獻［2］對鋁合金多道焊進行研究但僅關注反變形對焊接變形的影響，鋁合金中厚板多層多道焊的焊接道數和層間溫度對其殘余應力和變形的研究較為匱乏。本文采用SYSWELD軟件建立了5083鋁合金平板對接接頭多道焊的熱-冶金-力學三維耦合計算模型，在考慮相變情況下，采用雙橢球移動熱源計算V形坡口對接接頭兩道焊溫度場和應力場分布，并分析了不同焊接道數對其殘余應力分布和變形的影響。此外，在兩道焊基礎上，研究了層間溫度對鋁合金對接接頭殘余應力和變形的影響，為利用軟件準確預測鋁合金多道焊殘余應力和變形，優化焊接工藝降低實驗成本提供參考。

1 焊接模型的建立

1.1 三維模型及網格劃分

為了準確模擬焊接過程，采用三維實體計算模型，多道焊對接接頭尺寸如圖1a所示，由兩塊尺寸為250 mm×90 mm×6 mm的平板進行TIG對接焊，V形坡口，角度60°。模型的網格劃分及約束條件見圖1b，模型的節點數為81 305，單元數為102 444，Weld Line為焊接線，箭頭方向為焊接方向，Line1位于平板上表面中心位置。模擬過程中采用三點約束以防止模型發生剛體位移。

圖1 三維模型及網格劃分Fig.1 3D Model and grid Division

1.2 材料參數

母材為5083鋁合金，焊縫填充金屬為ER5356，模擬過程考慮了材料的熱物理性能與力學性能隨溫度變化的特性。同時假定焊縫金屬與母材金屬具有相同的熱物理性能和力學性能，如表1所示。

表1 5083鋁合金熱物理性能和力學性能Table 1 Thermo-Physical Properties and Thermo-Mechanical Properties of 5083

1.3 熱源模型及邊界條件

采用Goladk J等［11］提出的雙橢球體熱源模型，熱源移動方向為y軸方向，該體熱源由y軸前后兩個部分組成。沿y軸前半部分和后半部分的橢球內部熱流密度分布函數表達式分別為式（1）、式（2）：

式中ar、af、b、ch分別為熱源形狀參數；Q為有效熱輸入；ff、fr分別為熱流密度在y軸前后兩個部分的分配系數。熱源模型的主要參數值如表2所示。

表2 熱源模型的主要參數值Table 2 Primary parameter values of heat source model

焊接模擬時，熱源模型有效熱輸入Q=2 940 W，第1道焊縫熔寬b=3.5 mm，熔深ch=3 mm；第2道焊縫熔寬b=7 mm，熔深ch=3.5 mm，

設置焊件初始溫度為20 ℃，焊件表面與周圍介質的熱交換為表面換熱，將對流和輻射系數轉化為總的熱交換系數進行模擬計算。

1.4 力學模型

假定材料遵循各向同性硬化性能的彈塑性準則（Von Mises 塑性模型）。總應變如式（3）分解：

式中為總應變；為彈性應變；為熱應變；為塑性應變［8］。

2 數值模擬結果與分析

2.1 焊接溫度場模擬結果及分析

TIG焊工藝參數為：焊接電壓20～22 V，焊接電流160～170 A，焊接速度7.5 mm/s，保護氣體為99.99%Ar，焊接完成后焊件冷卻至室溫，第1道和第2道參數相同。圖2為焊接過程中焊縫溫度場云圖。由圖可知，焊接為不均勻加熱，加熱時焊縫溫度迅速升高，焊縫附近的溫度梯度很高，溫度達到650 ℃區域為熔化區，第1道焊縫熔池最高溫度為724.80 ℃，第2道焊縫熔池最高溫度為833.29 ℃，遠離焊縫的母材幾乎無溫升，且隨著熱源離開，焊件逐漸冷卻。

圖2 焊縫溫度場云圖Fig.2 Weld Temperature Field

在焊縫橫截面上選取A、B、C三點（見圖2b），位于第1道焊縫中心沿厚度方向（z方向）距下表面距離分別為2.25 mm、1.23 mm、0 mm。繪制A、B、C三點溫度隨時間變化曲線，如圖3所示。第1道焊縫焊接時，A、B、C三點溫度迅速升高達到650 ℃以上，材料熔化，隨著熱源的離開溫度逐漸降低冷卻至室溫；第2道焊縫焊接時，由于熱傳導作用，第1道焊縫再次經歷加熱冷卻過程。

圖3 A、B、C三點溫度隨時間變化曲線Fig.3 Curve of Temperature Change with Time at Points A，B and C

2.2 焊接殘余應力模擬結果及分析

圖4為對接接頭在上表面中心Line1位置（見圖1）的縱向和橫向殘余應力分布模擬結果，σy為縱向殘余應力，σx為橫向殘余應力。焊接完成后采用盲孔法［12-13］測量其縱向和橫向殘余應力分布。

圖4 上表面中心Line1位置的縱向和橫向殘余應力分布模擬結果Fig.4 Simulation results of longitudinal and transverse residual stress distribution at the center of Line1 on the upper surface

由圖4可知，縱向殘余應力在焊縫及近縫區為拉應力，遠離焊縫區為壓應力。在焊接加熱過程中，焊縫中心受熱膨脹，在其周圍區域產生壓應力，直到焊縫中心溫度達到熔化溫度650 ℃，熱影響區的壓應力達到最大值。在冷卻過程中，熔化區冷卻收縮，由于受到相鄰固態材料的約束，熔化區金屬受到拉應力。冷卻至室溫后，焊縫及近縫區為拉應力，為了保持平衡，遠離焊縫區為壓應力。焊縫中心位置的拉應力值略小于熱影響區，這是由于該計算模型考慮了相變，熔化區在加熱過程中屈服強度小于母材屈服強度所致。同時也可以看出，橫向殘余應力為拉應力，直到遠離焊縫位置拉應力趨于0。焊縫中心位置應力值較小是因為熔化區材料屈服強度小于母材屈服強度，由于焊接過程中屈服強度的改變得到較小的應力。σx產生的原因較為復雜，其值既受到焊縫冷卻時橫向收縮的直接影響，又受到焊縫的縱向收縮、表面和內部不同的冷卻過程以及疊加的相變過程共同作用的間接影響。總體上，橫向殘余應力數值小于縱向殘余應力數值，這是由于在焊縫冷卻收縮與相變膨脹過程中鋁板的縱向拘束遠大于橫向拘束。

2.3 焊接道數對殘余應力和變形的影響

2.3.1 焊接道數對殘余應力的影響

為了進一步研究焊接道數對焊接殘余應力的影響，采用前述模型，改變焊接道數為3道、4道，焊縫橫截面如圖5a所示，取對接接頭在上表面中心Line1位置（見圖1）的縱向和橫向殘余應力分布模擬結果，分析焊接道數對焊接殘余應力的影響規律。由圖5可知，焊接道數為2時，縱向殘余應力最大值為167 MPa，橫向殘余應力最大值為44.1 MPa；焊接道數為3時，縱向殘余應力最大值為177 MPa，橫向殘余應力最大值為44.7 MPa；焊接道數為4時，縱向殘余應力最大值為183 MPa，橫向殘余應力最大值為44.9 MPa。隨著焊接道數的增加，焊接熱輸入量越多，焊后殘余應力越大［14］，縱向殘余應力最大值從167 MPa，逐漸增加到183 MPa，而橫向殘余應力最大值從44.1 MPa逐漸增加到44.9 MPa，變化幅度很小。

圖5 焊接道數對焊接殘余應力的影響Fig.5 Effect of Welding passes on welding residual stress

2.3.2 焊接道數對變形的影響

焊接道數為2道、3道、4道時，焊縫冷卻到室溫后平板變形云圖如圖6所示。可以看出，焊縫中心部位為正向變形，與焊縫平行的焊板邊緣為負向變形且變形量很小，焊接變形為角變形。這是由于該模型的約束條件如圖1所示，對平板邊緣的3個點進行約束。焊接道數為2時，變形量為-0.13～0.69 mm；焊接道數為3時，變形量為-0.21～1.05 mm；焊接道數為4時，變形量為-0.13～1.61 mm。由于焊接第2道焊縫時，對接接頭在經過第1道焊縫冷卻到室溫后已產生角變形，再經過第2道焊縫的加熱冷卻過程又產生了角變形，如此循環，隨著焊接道數增加，焊接變形幅值由0.82 mm增加到1.74 mm，焊接變形逐漸增加。

圖6 不同焊接道數平板對接變形云圖Fig.6 Contour diagram of plate butt deformation with different welding passes

2.4 層間溫度對殘余應力和變形的影響

2.4.1 層間溫度對殘余應力的影響

為了研究多道焊層間溫度對焊接殘余應力的影響，采用兩道焊模型，對第1道和第2道的層間溫度分別為20 ℃（室溫）、50 ℃、100 ℃、150 ℃進行數值模擬，結果如圖7所示。由于第1道焊縫冷卻過程中，熔化區冷卻收縮，受到相鄰固態材料的約束，熔化區金屬受到拉應力，隨著冷卻溫度的降低，拉應力逐漸增大，直到冷卻至室溫拉應力達到最大值。層間溫度越高，焊縫中心的殘余拉應力值越小，層間溫度對第2道焊縫起到預熱的效果，可以顯著降低焊縫殘余應力。由圖7可知，層間溫度分別為20 ℃（室溫）、50 ℃，100 ℃、150 ℃時，縱向殘余應力最大值分別為167 MPa、148 MPa、120 MPa、108 MPa，橫向殘余應力最大值分別為44.1 MPa、43.3 MPa、41.6 MPa、46.0 MPa；隨著層間溫度的升高，縱向殘余應力逐漸降低，但橫向殘余應力先減小后增大。綜合考慮橫向和縱向殘余應力，進行兩道焊接的最優層間溫度可選用100 ℃。

圖7 層間溫度對焊接殘余應力的影響Fig.7 Effect of interlayer temperature on welding residual stress

2.4.2 層間溫度對變形的影響

不同層間溫度下焊縫冷卻到室溫后平板變形云圖如圖8所示。焊接時快速加熱冷卻過程使鋁板厚度方向（z方向）溫度分布不均勻，上表面受熱發生膨脹大，下表面膨脹小，焊接面膨脹受阻產生橫向壓縮塑性變形，焊后冷卻時會在厚度方向上出現收縮不均勻的現象，導致角變形產生。由圖8可以看出，層間溫度為室溫（20 ℃）時，變形量為-0.13～0.69 mm；層間溫度為50 ℃時，變形量為-0.11～0.73 mm；層間溫度為100 ℃時，變形量為-0.11～0.77 mm；層間溫度為150 ℃時，變形量為-0.11～0.78 mm。第2道焊縫的焊接溫度受層間溫度和熱輸入的疊加影響，層間溫度越大，焊接溫度越高，焊縫處于熔點以上的區域越大，產生橫向壓縮塑性變形更明顯，冷卻后焊接變形幅值由層間溫度為20 ℃的0.82 mm增加至層間溫度為150 ℃的0.89 mm，幅度僅0.07 mm，所以層間溫度對焊接變形幾乎無影響。

圖8 不同層間溫度平板對接變形云圖Fig.8 Deformation contour diagram of plate butt joint with different interlayer temperatures

3 結論

（1）利用SYSWELD軟件對5083鋁合金對接接頭兩道焊的焊接過程溫度場和殘余應力分布進行數值計算與分析，其結果與熱循環曲線和殘余應力測試結果吻合，縱向殘余應力在焊縫及近縫區為拉應力，遠離焊縫區為壓應力。

（2）隨著焊接道數的增加，縱向殘余應力最大值從167MPa，逐漸增加到183 MPa，而橫向殘余應力最大值從44.1 MPa逐漸增加到44.9 MPa，橫向殘余應力變化幅度很小；焊接變形幅值由0.82 mm增加到1.74 mm，焊接變形逐漸增加。

（3）采用2道焊模型，對第1道焊縫和第2道焊縫之間層間溫度分別為20 ℃（室溫）、50 ℃、100 ℃、150 ℃進行焊接殘余應力和焊接變形數值模擬，結果表明，隨著層間溫度升高，縱向殘余應力從167 MPa逐漸降低至108 MPa，橫向殘余應力從44.1 MPa先減小至41.6 MPa后增大至46.0 MPa，焊接變形幅值由0.82 mm增加至0.89 mm，層間溫度對焊接變形幾乎無影響，綜合考慮，采用層間溫度100 ℃進行焊接最為合適。