基于機械結(jié)構(gòu)有限元分析的激光拼焊過程中深沖鋼焊縫形狀與晶粒尺寸預(yù)測

趙　婭

（河南廣播電視大學(xué)，河南鄭州450008）

基于機械結(jié)構(gòu)有限元分析的激光拼焊過程中深沖鋼焊縫形狀與晶粒尺寸預(yù)測

趙婭

（河南廣播電視大學(xué)，河南鄭州450008）

基于機械結(jié)構(gòu)有限元分析方法，針對激光焊接過程中深沖鋼焊縫形狀與晶粒尺寸創(chuàng)建了預(yù)測模型，并進(jìn)行模擬和預(yù)測。結(jié)果表明，拼焊板焊縫寬度預(yù)測值和實際測量的結(jié)果相對誤差較小，St12深沖鋼的相對誤差為5.80％～7.63％，St16深沖鋼的相對誤差為4.55％～7.41％；通過對晶粒大小的預(yù)測模型進(jìn)行模擬可知，無論是焊縫區(qū)還是HAZ的晶粒尺寸預(yù)測值都和實際值十分接近，這對優(yōu)化焊接工藝，控制焊縫和熱影響區(qū)晶粒大小具有重要的意義。

激光焊接；焊縫形狀預(yù)測；深沖鋼

0　前言

隨著工業(yè)科技的發(fā)展，激光拼焊工藝在航天、航海、汽車、機械加工等行業(yè)中的應(yīng)用越來越多[1]。較之傳統(tǒng)焊接工藝，通過激光拼焊工藝獲得的拼焊板具有良好的沖壓成形性能，并且其焊縫區(qū)體積小，拉伸強度較高[2]。在生產(chǎn)汽車的車身時，通過激光拼焊技術(shù)可以減輕車身重量，提高沖壓成型率和車身的機械結(jié)構(gòu)性能[3]。研究表明，焊縫的形狀和焊縫區(qū)、HAZ（熱影響區(qū)）的晶粒尺寸對拼焊板的抗拉強度、成形性能等有很大的影響。基于有限元分析軟件對焊縫形狀、晶粒大小進(jìn)行預(yù)測，及時對焊接工藝做出調(diào)整和優(yōu)化，可以實現(xiàn)對焊縫形狀、晶粒大小的控制[4]。因此本研究基于機械結(jié)構(gòu)有限元，針對深沖鋼拼焊板，創(chuàng)建了焊縫形狀和晶粒大小的預(yù)測模型，并且進(jìn)行了相關(guān)模擬，對于優(yōu)化激光拼焊工藝具有十分重要的意義。

1　創(chuàng)建瞬態(tài)溫度場模塊

1.1創(chuàng)建模型

采用快速軸流CO2激光拼焊設(shè)備對St12、St16深沖鋼激光拼焊板進(jìn)行單面焊雙面成形焊接，焊接工藝參數(shù)如表1所示。

焊縫與深沖鋼板的軋制方向呈90°，沿壓縮軸方向?qū)⒛M變形的試樣從直徑1/3處剖開，置入2％～4％HNO3溶液中進(jìn)行腐蝕，制取金相試樣。完成金相試樣的制備后，使用光學(xué)顯微鏡觀察其金相組織并進(jìn)行分析。

表1　焊接工藝參數(shù)

焊接試驗中選用的深沖鋼板尺寸為500 mm× 270 mm×1.2 mm。若對整體試件進(jìn)行有限元建模，因計算量大、耗時長，使得建模較為困難，所以選取試件焊縫附近的一小塊區(qū)域創(chuàng)建三維有限元模型，其中模型的熱分析單元為Solid70，模型尺寸25 mm× 5 mm×1.2 mm。

1.2網(wǎng)格劃分

焊縫形狀具有較大的異樣性，在模擬過程中會形成一定的系統(tǒng)誤差，為了減小系統(tǒng)誤差，在試件不同的區(qū)域進(jìn)行不同疏密程度的網(wǎng)格劃分，焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域，網(wǎng)格劃分較為稀疏，焊縫和熱影響區(qū)（HAZ）網(wǎng)格劃分比較稠密，網(wǎng)格尺寸較小，為0.1mm×0.1 mm× 0.2 mm，小于光斑直徑。因焊縫平面具有對稱性，只需建立單側(cè)模型，如圖1所示。

圖1　單側(cè)有限元模型

1.3焊接熱源和邊界條件

試驗選用拼焊板厚度較?。?.2 mm），焊接時輸出功率較小，所以確定為傳導(dǎo)焊，熱源模型為高斯熱源模型。通過APDL編程的LOOP循環(huán)完成光源的移動，編程時設(shè)置100個載荷步實現(xiàn)熱源的加載。為了令移動熱源的加載符合實際的移動熱源特性，需用重貼加載法進(jìn)行加載即每進(jìn)行完一步載荷的加載后，該步載荷不予保留，去除后再加載下一步載荷。該模型下的邊界條件是指在激光拼焊時，拼焊板和外圍環(huán)境對流與輻射換熱。

通過牛頓冷卻方程求焊接時對流換熱

式中h為對流換熱系數(shù)；Ts、Tn分別為固體表面和周圍流體的溫度。

通過斯蒂芬-波爾滋蔓方程求輻射換熱為

式中ε為輻射率；σ為常數(shù)，約5.67×10-8W/（m2·K4）；T1、T2分別為輻射面1、2的開爾文溫度；T12為輻射面1到2的形狀系數(shù)。

1.4相變潛熱及熱物理參數(shù)

在激光拼焊過程中，焊縫區(qū)發(fā)生了液化，試樣吸收大量的熱量，在一次結(jié)晶時，試樣又釋放大量的熱量，所以在計算溫度場時不能忽略相變潛熱對溫度場的影響，式（3）是熱焓隨溫度變化的計算公式

式中H和T分別為熱焓和開爾文溫度；ρ為材料的密度；c（τ）是分段線性函數(shù)，因其在相變區(qū)改變很大，所以把它視為等效比熱容。

材料的熱物理參數(shù)如比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等，在常溫和高溫條件下確定方法不一樣，在常溫下可以通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲??；在高溫條件下，就需根據(jù)實際情況利用插值法和外推法求出。創(chuàng)建三維瞬態(tài)溫度場模塊時，輸出和輸入?yún)?shù)都是通過矩陣來展現(xiàn)的。

1.5熱源加載的首尾控制方法

網(wǎng)格劃分后，各個節(jié)點仍然存在間距，熱源加載時難以確保每個節(jié)點的均勻性，其中包括首尾節(jié)點。為了克服熱源加載的不均勻性，本研究給出了熱源加載、求解的首尾控制方法：在首節(jié)點原坐標(biāo)基礎(chǔ)上去掉一個預(yù)留值1×10-6，在尾節(jié)點坐標(biāo)上加上一個相等的預(yù)留值。通過這種方法可以確保首尾兩節(jié)點的準(zhǔn)確選取，最終獲取比較完整的預(yù)測模型。

2　預(yù)測焊縫形狀

2.1焊接溫度場模型

圖2是通過有限元模型中的三維熱分析單元SLIOD70，深沖鋼板St12焊接溫度場的模擬結(jié)果（St16的模擬結(jié)果與其一致）。由圖2可知，熱源前面和后面的溫度場分布梯度有明顯不同，前面的溫度場分布梯度大，后面的比較緩和。原因在于熱源前面部分未被加熱，后面部分已經(jīng)被加熱，兩部分溫度不同，前者相對較低，溫度梯度必然較大。

2.2節(jié)點溫度模型

處在拼焊板厚度不同截面的節(jié)點溫度模型可以比較清楚地描述溫度場的連續(xù)分布模型，因此本研究通過三維熱分析單元SOLID70模擬St12試樣在厚度各截面的節(jié)點溫度。圖3是獲得的節(jié)點溫度模型，由圖3可知，模型取了七個層面的節(jié)點進(jìn)行模擬，0～1.00 mm（0 mm為底層）之間的六個層面的節(jié)點溫度分布曲線大致相同，而1.2 mm的溫度分布曲線和其他六層明顯不同。造成這種現(xiàn)象的原因是：焊接過程中焊縫表層材料的溫度較高，發(fā)生了汽化現(xiàn)象，這些金屬蒸汽覆蓋在焊縫表面層，起到阻止熱量散發(fā)的作用，使得焊縫表層的高度明顯大于其他各層的溫度。由于表層被大量金屬蒸汽覆蓋，熱量大部分通過0 mm底層散失到介質(zhì)中，所以離底層越近溫度越低。除此之外，由圖3還可知，在焊縫的平面上，距焊縫越遠(yuǎn)，各層的溫度越低，且之間的溫差越小，在0.9 mm之后，各層溫度接近一致。

圖2　St12拼焊板的焊接溫度場模型

圖3　厚度方向上各層截面節(jié)點的溫度曲線

2.3預(yù)測結(jié)果的誤差分析

選取20個試樣焊件，分析這些試樣拼焊鋼板厚度方向7個截面不同節(jié)點的溫度分布，可以獲取大量節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)，基于這些溫度數(shù)據(jù)和試驗鋼的熔點，通過插值法，可以求出不同層面的焊縫寬度，焊縫形狀的預(yù)測結(jié)果如表2所示。

表2　焊縫形狀的預(yù)測值和實際值

由表2可知，St12拼焊板焊縫寬度預(yù)測值和實際測量的結(jié)果相對誤差較小，為5.80％～7.63％；對于St16拼焊板，其獲得的焊縫寬度預(yù)測值和實際測量結(jié)果相對誤差也比較小，為4.55％～7.41％，通過這些數(shù)據(jù)可知，預(yù)測的焊縫形狀和實際焊縫形狀基本一致，如圖4所示。對比圖4a、圖4b可知，實測焊縫和預(yù)測焊縫幾乎無差別，進(jìn)一步驗證了上述結(jié)果。

3　預(yù)測焊縫和HAZ的晶粒尺寸

3.1創(chuàng)建晶粒尺寸的模型

對深沖鋼板進(jìn)行激光拼焊焊接后，焊縫和HAZ的晶粒尺寸是拼焊板成形性能的決定因素之一，所以必須通過一些工藝來控制晶粒的大小，從而使拼焊板獲得比較優(yōu)良的焊縫成形性能。因此本研究基于偏最小二乘回歸法對焊縫區(qū)和HAZ的晶粒尺寸進(jìn)行預(yù)測，創(chuàng)建了晶粒尺寸的預(yù)測模型[5]。為確保實驗的準(zhǔn)確性，選取了20個St12焊接試樣，其中11個用于創(chuàng)建模型，另外9個用于對模擬結(jié)果的驗證。

焊接工藝參數(shù)對晶粒大小影響很大，為了準(zhǔn)確預(yù)測晶粒大小，需建立焊縫、熱影響區(qū)晶粒大小與焊接參數(shù)兩者之間的映射關(guān)系。由于激光拼焊形成的焊縫HAZ物理空間小，必須做一定的細(xì)化處理，才能夠清楚地描述不同區(qū)域晶粒大小的區(qū)別：經(jīng)激光焊接的試樣，在厚度方向上各層截面都存在焊縫區(qū)和HAZ的分界點（圖4中的點A），以該點為起點，間距50 μm，對焊縫區(qū)和HAZ區(qū)的晶粒大小進(jìn)行測定，測量結(jié)果如表3所示，表中的樣本數(shù)據(jù)用于創(chuàng)建預(yù)測模型。進(jìn)行焊接時，光斑0.6mm，焊接功率1 525 W、速度1.8 m/min。由表3可知，隨著與焊縫距離的增長，晶粒的尺寸越小，兩者呈現(xiàn)顯著的反比例關(guān)系。

圖4　激光焊接后后St12深沖鋼板的實測和預(yù)測焊縫

表3　St12深沖鋼板晶粒尺寸的預(yù)測值和實際值

應(yīng)用模式識別最優(yōu)判別平面法對工藝參數(shù)進(jìn)行分析，可以得到影響焊縫區(qū)域HAZ的關(guān)鍵因素和權(quán)重值，根據(jù)權(quán)重值可知焊接功率、焊接速度、光斑直徑為關(guān)鍵因素，分別設(shè)為x1、x2、x3，忽略其他因素，僅考慮這三種因素對焊縫區(qū)和HAZ的影響，可以大大簡化預(yù)測模型，為此本研究建立了輸入變量即x1、x2、x3和輸出變量y1（焊縫區(qū)晶粒尺寸）、y2（HAZ晶粒尺寸）之間的映射關(guān)系，再通過計算機軟件Matlab對x1、x2、x3進(jìn)行PLS線性回歸計算?；诮徊嬗行栽瓌t，若選擇三個主成分，均方差最小。因此，當(dāng)主成分?jǐn)?shù)為三個時，創(chuàng)建的模型對x1，x2，x3和y1，y2的累計解釋力可以達(dá)到最大。完成上述步驟后，計算出最小二乘多元回歸方程的系數(shù)矩陣，再依據(jù)系數(shù)矩陣創(chuàng)建預(yù)測晶粒大小的模型

3.2預(yù)測結(jié)果分析

通過建立的預(yù)測模型可知，焊縫區(qū)、HAZ的晶粒尺寸和焊接速率呈反比例關(guān)系，與焊接功率、光斑直徑呈線性正比例關(guān)系。把9組工藝參數(shù)代入式（5）、式（6），可以計算出焊縫區(qū)、熱影響區(qū)晶粒大小的預(yù)測值，并與實際試驗得到晶粒大小值相比較，求出相對誤差，所得數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，焊縫區(qū)晶粒尺寸的預(yù)測值的相對誤差很小，最大誤差為2.995％，最低誤差僅為0.098％；對于HAZ，預(yù)測值相對實際值的誤差同樣很小，最高誤差僅為4.124％，最低誤差精確到0.547％，通過這些數(shù)據(jù)可知，無論是焊縫區(qū)還是HAZ的晶粒尺寸預(yù)測值都和實際值十分接近，說明預(yù)測模型具有較高的精度，對實際應(yīng)用具有重要的意義。

4　結(jié)論

基于機械結(jié)構(gòu)有限元創(chuàng)建了三維瞬態(tài)溫度場模塊，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建預(yù)測焊縫形狀焊接溫度場模型和節(jié)點溫度模型，由預(yù)測結(jié)果可知，拼焊板焊縫寬度預(yù)測值和實際測量的結(jié)果相對誤差較小，St12深沖鋼的相對誤差為5.80％～7.63％，St16深沖鋼的相對誤差為4.55％～7.41％；通過對影響焊縫和HAZ的三個主要因素焊接速率、焊接功率、光斑直徑進(jìn)行PLS線性回歸計算，創(chuàng)建了晶粒大小的預(yù)測模型。由預(yù)測結(jié)果可知，無論是焊縫區(qū)還是HAZ的晶粒尺寸預(yù)測值都和實際值十分接近,表明所建的預(yù)測模型具有較高的精度。

[1王穎.激光焊接技術(shù)助力我國汽車行業(yè)發(fā)展——記武漢華工激光焊接技術(shù)應(yīng)用論壇[J].金屬加工（熱加工），2014（12）：24-24.

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Laser welding process based on the mechanical structure of the finite element analysis of deep drawing steel weld shape and grain size prediction

ZHAO Ya
（He'nan RadioTelevision UniversityInstitute ofTechnology，Zhengzhou 450008，China）

Based on the mechanical structure of the finite element method for laser welding process of deep drawing steel weld shape and grain size to create a predictive model，and simulation and prediction results show that，TWB weld width predicted value and the actual measurement the results of the relative error is small，the relative error St12 deep drawing steel about 5.80％～7.63％，relative error St16 deep drawing steel is about 4.55％～7.41％；grain size predicted by the simulation model shows that，whether it is predictive value of the grain size of the weld HAZ area or very close to the actual value，which is the optimization of the welding process，the weld and heat affected zone control grain size has a very important significance.

laser welding；weld shape prediction；deep drawing steel

TG456.7

A

1001－2303（2015）11－0093-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.19

2014-10-18

趙婭（1968—），女，河南鎮(zhèn)平人，副教授，碩士，主要從事機械設(shè)計的研究工作。