7075-T6鋁合金薄板激光對(duì)接焊溫度場(chǎng)與殘余應(yīng)力分布

羅開玉，呂 刺，王慶偉，齊 晗，魯金忠

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

激光焊接是一種無接觸加工方式，因其焊接精度高、焊接范圍廣、易于控制、焊接熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空和汽車工業(yè).激光焊接過程中，焊接工藝參數(shù)的設(shè)置對(duì)焊縫質(zhì)量影響非常大，保護(hù)氣流對(duì)激光焊接鋁合金的影響也十分明顯［1］.但鋁合金在激光焊接過程中的高反射性，使其焊接質(zhì)量難以保證.并且激光焊接過程短，很難實(shí)時(shí)觀測(cè)到結(jié)構(gòu)金屬焊接過程中微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的變化規(guī)律.隨著高性能計(jì)算機(jī)和有限元技術(shù)的發(fā)展，激光焊接過程的模擬技術(shù)越來越體現(xiàn)出其重要性與優(yōu)越性［2-3］，F(xiàn).T?lle等［4］運(yùn)用了二維模型模擬方法，分析了焊縫兩側(cè)在聚焦激光束照射下的殘余應(yīng)力場(chǎng).R.V.Preston等［5］模擬2024-T3鋁合金激光焊的殘余應(yīng)力，并對(duì)焊后的硬度進(jìn)行了分析.G.A.Moraitis等［6］運(yùn)用高斯面熱源模擬研究了鋁合金激光搭接焊的殘余應(yīng)力分布.F.R.Kong等［7］借鑒他人熱源模型，運(yùn)用三維有限元模型研究了激光搭接焊后殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布.A.Ancona等［8］從試驗(yàn)方面對(duì)鋁鎂合金5083激光對(duì)接焊做了力學(xué)表征.上述研究僅從二維殘余應(yīng)力場(chǎng)模擬或試驗(yàn)角度分析激光焊接過程，且由于激光焊的高熔透性，三維模擬時(shí)運(yùn)用高斯面熱源不能體現(xiàn)其熔透性.

本研究擬以7075-T6鋁合金激光對(duì)接焊薄板為研究對(duì)象，在高斯分布面熱流密度分布函數(shù)的基礎(chǔ)上，建立考慮焊接深度的熱流密度分布的修正函數(shù)，采用 ABAQUS軟件并編寫 FORTRAN和 PYTHON子程序建立鋁合金薄板激光對(duì)接焊三維焊接模型，并運(yùn)用生死單元技術(shù)模擬與分析激光焊接的三維溫度場(chǎng)與殘余應(yīng)力分布，通過切割釋放法測(cè)量焊接件沿焊縫方向的殘余塑性應(yīng)變計(jì)算殘余應(yīng)力，并分析試驗(yàn)產(chǎn)生誤差的原因.

1 焊接試驗(yàn)及應(yīng)力測(cè)量

試驗(yàn)材料為退火狀態(tài)7075-T6鋁合金薄片，試樣尺寸為100 mm×100 mm×1 mm，焊縫寬度為0.5 mm.模擬焊接溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)所需的7075-T6鋁合金熱物理性能參數(shù)和溫度關(guān)系見圖1.焊接前用500#、800#、1 000#金相砂紙將對(duì)接焊用鋁合金薄片截面打磨平整光滑，經(jīng)丙酮清洗后，在工具臺(tái)上對(duì)齊，采用專用夾具夾緊，以減小對(duì)接焊接件空隙.間隙較小可以保證激光光束的高吸收率，減小鋁合金焊接時(shí)對(duì)焊接光束的反射率［9］.焊接試驗(yàn)采用江蘇大學(xué)工業(yè)中心StarWeld250型Nd∶YAG固體脈沖激光器，焊接過程不填絲，直接單道焊接，全程側(cè)吹高純氬氣作為保護(hù)氣，流量約為15 L·min-1.為保證焊縫質(zhì)量，經(jīng)多次焊接后拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析，獲得較優(yōu)的焊接工藝參數(shù):電壓 490 V，焊速90 mm·min-1，頻率30 Hz，激光功率500 W，采用正離焦量0.5 mm.

圖1 鋁合金熱物理性能參數(shù)與溫度的關(guān)系

根據(jù)應(yīng)力釋放原理和邊界效應(yīng)，在試樣焊接完畢后，采用切割釋放法測(cè)量其縱向殘余應(yīng)力.考慮到試樣的對(duì)稱性，試驗(yàn)只測(cè)量以焊縫軸線為對(duì)稱軸的一側(cè)的縱向殘余應(yīng)力 σy測(cè).試驗(yàn)用 XL2158C系列力/應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀，用1/4橋接法先在焊接線中央斷面附近布置電阻應(yīng)變片，之后沿焊接線中央斷面切開，分別采集靜態(tài)應(yīng)變信號(hào)，測(cè)量對(duì)接焊試樣所釋放的焊接殘余應(yīng)變，測(cè)量3組后對(duì)比結(jié)果，通過式(1)計(jì)算得到焊接殘余應(yīng)力:

式中:εy1，εy2分別為焊接件切割前后的殘余應(yīng)變測(cè)量值;E為材料的彈性模量.并將式(1)計(jì)算值和模擬值進(jìn)行對(duì)比.試驗(yàn)中電阻應(yīng)變片型號(hào)為BX120-1AA型;標(biāo)稱電阻為(119.8 ±0.1)Ω;靈敏系數(shù)為(2.08 ±1)%.

2 結(jié)果與分析

采用ABAQUS 6.10軟件對(duì)激光對(duì)接焊7075-T6鋁合金焊縫周圍溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析.圖2為激光對(duì)接焊模擬計(jì)算所使用的疏密過渡有限元模型.坐標(biāo)系設(shè)置y方向?yàn)榭v向，平行于焊縫，x為橫向，垂直于焊縫，z為板厚方向.

圖2 激光對(duì)接焊中采用的有限元模型

為提高計(jì)算精度，在溫度梯度變化明顯的焊縫區(qū)域及周圍熱影響區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密，遠(yuǎn)離焊縫處設(shè)置稀疏網(wǎng)格，兩者之間以過渡網(wǎng)格相連接.模型整體尺寸為100 mm×100 mm×1 mm，單元數(shù)為10 200個(gè)，溫度場(chǎng)計(jì)算采用DC3D8類型單元，應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算采用C3D8R類型單元.高能激光束焊接具有較高的熔透性，實(shí)際激光焊接過程中，激光束能量在待焊板材表面形成金屬蒸氣，形成一定寬度的熔池，并通過匙孔滲透入板材.激光焊接過程中，匙孔上部產(chǎn)生的金屬蒸氣使熱量有效作用面積增大［10］.常規(guī)的高斯分布面熱源模型能夠模擬此現(xiàn)象，但通過匙孔滲透入板材則難以體現(xiàn)，本節(jié)通過對(duì)比模擬結(jié)果與實(shí)際焊縫，在高斯面熱源的基礎(chǔ)上建立一種適應(yīng)薄板激光焊接模擬的修正熱源，利用FORTRAN和PYTHON語言編寫子程序?qū)崿F(xiàn).高斯分布面熱源模型的熱流密度分布函數(shù)為

式中:η為焊接熱效率;U為焊接電壓;I為焊接電流;R為光束有效加熱半徑;r為焊件上任意點(diǎn)至光束加熱點(diǎn)中心的距離.

對(duì)于激光對(duì)接焊，由于兩焊接板材間的間隙和板材表面的反射，η取0.7.存在焊接熱效率經(jīng)修正后的熱源模型熱流密度分布函數(shù)為

式中z為熱源有效作用深度.圖3為焊縫溫度場(chǎng)模擬與試驗(yàn)圖.其中，圖3a為高斯熱源公式(2)的模擬結(jié)果;圖3b左側(cè)為激光對(duì)接焊焊縫區(qū)域的金相組織圖，右側(cè)為修正模型公式(3)模擬結(jié)果.由圖3可知:溫度高于640℃為焊接熔池，焊縫寬約0.5 mm，熔池、熱影響區(qū)與基材區(qū)分明顯，熱影響區(qū)非常窄，修正后的熱源模型所得焊縫結(jié)果與試驗(yàn)焊縫基本吻合.

圖3 焊縫溫度場(chǎng)模擬與試驗(yàn)圖

本研究在修正熱源基礎(chǔ)上，對(duì)激光對(duì)接焊7075-T6鋁合金薄板焊縫的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬和分析.圖4為不同時(shí)刻激光對(duì)接焊三維溫度場(chǎng)形成過程.

圖4 不同時(shí)刻激光對(duì)接焊三維溫度場(chǎng)形成過程

模型運(yùn)算后期顯示了拉伸塑性區(qū)與壓縮塑性區(qū).焊接過程考慮對(duì)流和輻射邊界條件，對(duì)流系數(shù)取10 W·m-2·K-1，輻射發(fā)射率取0.85.模型初始溫度設(shè)為室溫t0=20℃.無限擴(kuò)展板上作用勻速直線運(yùn)動(dòng)熱源時(shí)，距移動(dòng)熱源r處的溫度t的計(jì)算式［11］為

式中:K0為零階二類修正貝塞爾函數(shù);b=2(αc+αr)/(cρh)為傳熱系數(shù);q/h為厚度方向熱功率;v為熱源移動(dòng)速度;y為熱源移動(dòng)方向.

由圖4知:當(dāng)與熱源距離增加時(shí)，熱源前方溫度下降明顯，后方則較為緩慢，熱源兩側(cè)為中等梯度，表面等溫線為封閉的橢圓形，熱源前方密集，后方稀疏.通過運(yùn)算得到焊接溫度場(chǎng).應(yīng)力場(chǎng)分析中，導(dǎo)入得到的溫度場(chǎng)結(jié)果，對(duì)兩焊板設(shè)置位移限制，設(shè)置足夠長時(shí)間進(jìn)行冷卻，通過運(yùn)算得到整個(gè)模型殘余應(yīng)力場(chǎng).焊接材料熱力學(xué)性能通常與溫度變化有關(guān)，鋁合金密度受溫度影響較小，本研究不考慮.

本試驗(yàn)與模擬取值范圍皆為焊接上表面，圖5為沿焊縫方向焊縫殘余應(yīng)力分布曲線.在焊接線上，沿焊接線方向的殘余應(yīng)力分量σy，除前后端10 mm外，拉伸應(yīng)力大體分布一致;沿垂直焊接線方向的殘余應(yīng)力分量σx從焊接線兩端開始向中央，從很大的壓縮應(yīng)力逐漸變化到小的拉伸應(yīng)力，到焊接線中央斷面的殘余應(yīng)力基本為0.

圖5 沿焊縫方向殘余應(yīng)力分布

圖6為沿焊縫方向焊縫殘余塑性應(yīng)變的分布.焊接線上，除去前后端約10～15 mm，沿焊接線方向的塑性應(yīng)變分量大小幾乎相同;除去前后端約5～10 mm，沿垂直焊接線方向的塑性應(yīng)變分量分布也大體一致.而垂直方向塑性應(yīng)變分量相對(duì)沿焊接線方向的塑性應(yīng)變分量幾乎大10倍.垂直方向塑性應(yīng)變幾乎都轉(zhuǎn)換為焊接變形，即橫向收縮量，所以對(duì)殘余應(yīng)力貢獻(xiàn)小.因此，橫向收縮量比縱向收縮量大，而沿垂直焊接線方向的殘余應(yīng)力比焊接線方向的殘余應(yīng)力小.

圖6 沿焊縫方向殘余塑性應(yīng)變的分布

圖7為垂直焊縫方向的焊縫殘余應(yīng)力分布曲線.考慮到模型對(duì)稱性，在垂直于焊接線的中央斷面一側(cè)上取值，沿焊接線方向的殘余應(yīng)力分量σy測(cè)在焊縫中心及附近為較大的殘余拉應(yīng)力，而在板寬的邊緣，先急劇減小再緩慢漸變成很小的殘余壓應(yīng)力.模擬結(jié)果顯示7075-T6鋁合金焊縫最大殘余壓應(yīng)力約為-260 MPa，低于其屈服極限σy.沿焊接線方向的殘余應(yīng)力分量σy逐漸下降，塑性變形區(qū)的殘余應(yīng)力降低得更快，壓縮應(yīng)力的轉(zhuǎn)彎點(diǎn)A正好是彈性變形區(qū)和塑性變形區(qū)的交接點(diǎn).另外，由模擬和試驗(yàn)結(jié)果可知，在焊縫及其附近區(qū)域，沿焊接線方向的殘余應(yīng)力分量σy為殘余拉應(yīng)力，最大殘余拉應(yīng)力不在焊縫中心位置，而是在距焊縫中心一定距離的位置.試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果在趨勢(shì)上基本吻合，雖通過多次測(cè)量降低了殘余塑性應(yīng)變的誤差，但在局部差別還是相當(dāng)明顯，造成這樣的原因可能是因?yàn)闊嵩唇?jīng)過時(shí)橫截面的剪切撓曲所致.

圖7 垂直焊縫方向焊縫殘余應(yīng)力分布

熱膨脹與壓縮塑性應(yīng)變是產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的主要原因［11］，在實(shí)際單側(cè)激光對(duì)接焊試驗(yàn)過程中所產(chǎn)生的收縮如圖8所示.由移動(dòng)緩慢熱源產(chǎn)生的焊縫引起較大的橫向收縮，焊縫及其附近區(qū)域較大的橫向收縮引起較高的橫向壓力.加之由于焊縫冷卻縱向收縮，薄壁焊接件在縱向收縮力作用下發(fā)生翹曲，對(duì)接焊接頭也會(huì)發(fā)生附加的角收縮Δβ，角收縮的疊加使翹曲加劇，再者鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)較高，焊縫及其附近區(qū)域溫差不大，實(shí)際單側(cè)激光對(duì)接焊的上述影響因素造成壓縮塑性應(yīng)變降低［12］，因而測(cè)量的殘余應(yīng)力也降低.

圖8 激光焊接所產(chǎn)生的收縮示意圖

3 結(jié)論

1)在高斯分布面熱流密度分布函數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了考慮焊接深度的熱流密度分布的修正函數(shù)，運(yùn)用生死單元技術(shù)，并編寫FORTRAN和PYTHON子程序模擬焊接填料過程，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比并驗(yàn)證了修正函數(shù)的有效性.

2)有限元模型中，對(duì)移動(dòng)熱源的焊縫焊接采用細(xì)小網(wǎng)格，建立過渡網(wǎng)格與粗大網(wǎng)格連接的梯度網(wǎng)格，簡(jiǎn)化了模型，提高了運(yùn)算速度和焊縫區(qū)的計(jì)算精度，獲得了不同時(shí)刻的激光對(duì)接焊的三維溫度場(chǎng)形成過程.

3)模擬并分析了沿焊縫方向和垂直焊縫方向的焊縫殘余應(yīng)力分量的分布情況，從殘余塑性應(yīng)變方面分析了沿垂直焊線方向的殘余應(yīng)力比焊線方向的殘余應(yīng)力小的原因，與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值基本吻合，并定性分析了存在差別的原因.對(duì)比結(jié)果同時(shí)也驗(yàn)證了有限元模型的正確性和可行性.

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