金屬焊接性能的不均勻性及其尺度效應(yīng)研究

鄧沖

摘 要：金屬材料的焊接本身具有一定的難度，這主要是由于金屬本身的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)決定的，在承受突發(fā)的高溫時，外界溫度帶來的大梯度效應(yīng)導(dǎo)熱效果會造成焊接部分出現(xiàn)組織力的變化，同時造成大梯度的應(yīng)力保育問題，最終出現(xiàn)在各種作用復(fù)雜的耦合作用區(qū)，給焊接接頭組織分析成為難題。本文就根據(jù)金屬焊接過程中出現(xiàn)的組織性能變化情況，對其影響進行了分析，同時對本領(lǐng)域值得關(guān)注的前沿基礎(chǔ)研究方向加以探索，希望能夠給業(yè)內(nèi)人士提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：金屬焊接性;溫度梯度;高能束焊接;焊接接頭組織性能

中圖分類號：TG40 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）19-0076-02

0 引言

近年來，中國特色社會主義市場經(jīng)濟發(fā)展的成果可謂是十分豐碩，工業(yè)在其中發(fā)揮的作用更是無可替代，金屬焊接技術(shù)對于工業(yè)發(fā)展以及一些工程施工的作用更無異于中流砥柱。因此，我們有理由也有必要對金屬焊接的一系列問題進行研究和分析，但是在實際的研究工作中可以發(fā)現(xiàn)，目前我國對金屬焊接性能的研究相對還是比較簡單，在焊接性能不均勻性和尺度效應(yīng)方面存在研究的不足之處。

1 組織性能的不均勻性及其影響

早在上個世紀(jì)末期，世界范圍內(nèi)的業(yè)內(nèi)專家和學(xué)者就已經(jīng)開啟了金屬焊接結(jié)構(gòu)的研究，他們分別從以下幾個方面進行了深入探討：一是金屬焊接結(jié)構(gòu)的斷裂韌性;二是接頭匹配硬度等，并在此基礎(chǔ)上還將目光放在了焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)的上面。目前來看，二十多年的研究確實取得了一定的成果，有很多科研單位和研究所都在這方面取得了突破性的研究成果，比如說德國材料研究所、日本焊接研究所等等，就在焊接接頭組織的斷裂情況這個問題上進行了深入的研究。而縱觀國內(nèi)的研究情況，在1980年前后焊接接頭的軟夾硬、等匹配模型就已經(jīng)被應(yīng)用開來，焊接接頭的力學(xué)行為研究工作取得了突出的研究成果。不僅如此，縱觀我國發(fā)展歷程來看，哈工大、哈焊所等各大單位也做出了應(yīng)有的貢獻，這些單位的研究工作在焊接強度理論建設(shè)方面發(fā)揮了不可替代的積極作用，他們借助多尺度關(guān)聯(lián)分析法對焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)問題加以分析，同時這個問題也值得世界范圍內(nèi)焊接模擬人員進行共同的研究分析。研究重心集中在如何解決焊接區(qū)的組織與力學(xué)不均勻性問題，注意到焊接過程是以熱源作用下的局部非線性焊接區(qū)在大部分彈性非焊接區(qū)中隨熱源移動而移動為特征的，將細(xì)化熱源作用區(qū)域的網(wǎng)格而其他區(qū)域保持粗網(wǎng)格，熱源移動過后的細(xì)網(wǎng)格區(qū)域又恢復(fù)到粗網(wǎng)格的自適應(yīng)網(wǎng)格方法能反映熱源作用時的大梯度溫度和非線性特征，又能減少整個計算模型的單元數(shù)，既保證計算精度又顯著提高計算速度。焊縫和熱傳導(dǎo)區(qū)域以外的部分還是比較多，幾乎占據(jù)整個焊接件的九成以上，同時這個熱影響區(qū)并不是固定不變的，很容易受到一些因素的影響而出現(xiàn)線性、彈性變化。只有對這部分按照子結(jié)構(gòu)進行處理，模型的計算量才會降低，同時計算的難度和所需要的時間都會發(fā)生一定的變化。在二十一世紀(jì)這個信息化技術(shù)及計算機技術(shù)高度發(fā)達(dá)的時代下，數(shù)值模擬技術(shù)也在不斷的成熟當(dāng)中，很容易在一些焊接力學(xué)研究中發(fā)揮積極的作用。當(dāng)然這也不代表數(shù)值模擬技術(shù)就已經(jīng)完全普及開來，很多研究單位目前的主要研究方法和研究對象還是停留在過去階段，集中在強度匹配對斷裂力學(xué)驅(qū)動力參量如J積分、裂紋張開位移的影響方面。

相關(guān)研究人員在對焊接接頭數(shù)值模型進行構(gòu)建的過程中，往往都把計算機模型假設(shè)成為由以下幾個部分一起構(gòu)成：一是焊縫;二是基體材料。亦或是把熱影響區(qū)假設(shè)成均衡的，顯然這與當(dāng)前的狀況存在著較大的區(qū)別，并且焊接數(shù)值模擬屬于瞬態(tài)熱力組織的環(huán)節(jié)，這樣在實際計算期間會花費很多的時間和精力;針對激光深熔焊接等相關(guān)焊接來說，無論是焊縫還是熱影響區(qū)尺寸均要保持在不大于1mm甚至更小，在進行三維有限元計算期間應(yīng)當(dāng)不斷完善相關(guān)網(wǎng)格，只有這樣做才能使得相關(guān)大溫度梯度以及大梯度應(yīng)力變化充分的彰顯出來。

關(guān)于焊接接頭的細(xì)觀損傷行為的研究，史耀武等人研究表明，結(jié)構(gòu)鋼及其焊縫金屬的初始斷裂應(yīng)變受到應(yīng)力三軸度的強烈影響;程光旭提出了材料疲勞損傷延性耗散模型，定義了一種新的疲勞損傷變量，并用之于焊接區(qū)低周疲勞損傷研究，分別建立了焊縫、熱影響區(qū)和母材金屬的疲勞損傷演化方程;左建政推導(dǎo)出塑性可壓縮情況下的韌性損傷本構(gòu)方程，建立了有限變形下彈塑性韌性損傷的有限元剛度陣方程，并提出一種利用單向拉伸試驗測量損傷變量的新方法，最后對熱模擬焊接接頭近縫區(qū)和馬氏體/鐵素體雙向鋼進行了韌性損傷的細(xì)觀力學(xué)分析;王鐵軍從不可逆熱力學(xué)出發(fā)，建立了一般韌性損傷模型，同時利用掃描電鏡，對熱模擬近縫區(qū)及其母材的微結(jié)構(gòu)損傷與斷裂過程，進行了動態(tài)連續(xù)跟蹤試驗研究，還利用了一種交流電位損傷測量系統(tǒng)，測得母材以及模擬熱影響區(qū)的韌性損傷演化規(guī)律，得出相應(yīng)的損傷演化方程，最終探討了應(yīng)力三軸度對損傷演化和破壞的影響。

2 值得關(guān)注的前沿基礎(chǔ)研究方向

2.1 焊接接頭組織力學(xué)性能及其影響表征

經(jīng)過激光的深融焊接處理以后，被焊接的金屬材料會在瞬間被激光束攜帶的高溫所熔化甚至是氣化，而在冷卻過程中又會快速的降溫，形成一個巨大的溫度梯度，這種溫度因素的變化在金屬材料力學(xué)理論的作用下，會產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力變化導(dǎo)致金屬材料發(fā)生形變。在實際的操作過程中，經(jīng)過焊接以后原本對稱的形狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的焊接金屬件，也會發(fā)生焊接區(qū)域形變的情況，同時大梯度的殘余應(yīng)力也是無法避免的擁有三維非線性的特點。對大梯度組織性能的非線性特征和表征研究工作，主要的研究方向集中在對組織性能分布不均勻這方面，根據(jù)焊接縫和HAZ組織性能的測定數(shù)據(jù)，對非線性大梯度特征進行描述。和傳統(tǒng)的弧焊比較起來，激光深融焊接的熱量非常集中的作用在某一個焊接縫處，所以說其呈現(xiàn)出來的性能也就有所不同。比如說，激光焊縫的晶粒出現(xiàn)細(xì)化現(xiàn)象，同時整體結(jié)構(gòu)的顯微硬度會比原本的金屬材料更高，更重要的是基本不存在明顯的熱影響區(qū)，焊縫組織也不會出現(xiàn)質(zhì)量變化。同時，焊接縫的縱向殘余應(yīng)力在熔池內(nèi)以接近材料屈服限度的拉伸應(yīng)力形式存在，在接近熔池邊緣的時候急劇降低，所以殘余的焊接應(yīng)力更大。怎樣才能準(zhǔn)確的描述和計算大梯度殘余應(yīng)力的焊縫力學(xué)性能，是我們在今后的工作中必須要研究的重要課題之一。

2.2 焊接瞬態(tài)應(yīng)力與變形的多體耦合研究

我們都知道，如果想要對相關(guān)大梯度應(yīng)力演化環(huán)節(jié)以及形成機理進行深度剖析，那么就要將更多的時間和精力投入到對小孔形成機理以及熔池流動狀態(tài)的分析之中，現(xiàn)階段比較可行的手段是結(jié)合實驗以及計算開展相應(yīng)的模擬工作，對小孔、熔池和母材的耦合作用加以分析，但不難看出，這一過程具有較大的難度?，F(xiàn)階段來說，流固耦合算法得到了快速的發(fā)展和進步，但是這種算法和焊接技術(shù)研究工作的結(jié)合還沒有與金屬焊接方面的研究內(nèi)容結(jié)合起來，所以說我們有必要有理由對小孔、焊接工藝以及熔池流動情況進行計算，并在此基礎(chǔ)上對溫度場加以明確。除了要做好以上工作以外，還應(yīng)當(dāng)把溫度場當(dāng)作相應(yīng)的負(fù)載，對變形場應(yīng)力做好計算工作，為可以在最短的時間內(nèi)形成機理提供應(yīng)有的保障。和焊接件互相作用的一些外部設(shè)備所產(chǎn)生的壓緊力和摩擦力等等，也不是一成不變的，比如說工作臺的松緊程度、夾具的夾緊力度等等都會讓金屬材料受到的作用力持續(xù)不斷的影響，所以說我們有必要從外作用體的角度出發(fā)，根據(jù)其對金屬焊接材料的不同約束作用，對弧焊的應(yīng)力狀態(tài)和變形情況進行分析，同時仔細(xì)的研究外部作用力的動態(tài)拘束情況。站在客觀的立場來講，動態(tài)拘束所產(chǎn)生的干擾千變?nèi)f化。之所以這樣說是因為除了要對弧焊的應(yīng)力狀況以及變形狀況產(chǎn)生作用以外，還會使一些大型薄壁件焊接質(zhì)量發(fā)生巨大的變化。除此之外，激光主要應(yīng)用在一些小型金屬構(gòu)件的焊接工作中，其拘束效應(yīng)如果不能得到有效解決，那么經(jīng)激光焊接的小型微型金屬材料的產(chǎn)品質(zhì)量就無從得到保障，怎樣才能科學(xué)的拘束焊件、如何降低激光焊接變形的問題是我們在今后的發(fā)展中必須要研究的問題。

2.3 焊接接頭的力學(xué)行為多尺度效應(yīng)研究

從客觀的角度出發(fā)來看，無論是針對焊接接頭還是熱影響區(qū)自身來說，均存在著與之相匹配的尺度效應(yīng)，像熱影響區(qū)的大小、焊接接頭的強度匹配等一系列問題，均屬于尺度效應(yīng)的一部分。尤其是激光深熔焊接小孔模型計算工作中更是如此，其所有的焊接基本都是在微米級甚至是更小的單位下進行計算的，而以下幾個方面的應(yīng)力計算以及變形計算均是值得推敲的內(nèi)容：一是小孔;二是熔池;三是焊縫。而為了達(dá)到這一目標(biāo)，我們必須要根據(jù)斷裂力學(xué)的相關(guān)理論、結(jié)合焊接接頭的力學(xué)行為，進行多尺度耦合計算工作，從而確認(rèn)應(yīng)力大小等等，一些狹窄焊縫的激光深熔焊接接頭數(shù)值模擬技術(shù)具有一定的難度，為了更好的進行計算分析，我們通常借助多尺度有限元法開展相應(yīng)的調(diào)查工作。站在客觀的立場來講，和有限單元法進行詳細(xì)比較可以發(fā)現(xiàn)，多尺度有限元法與其最為顯著的差異就在于基函數(shù)不同。之所以這樣說是因為有限單元法基函數(shù)坐標(biāo)往往是在充分結(jié)合單元節(jié)點的基礎(chǔ)上加以明確的，而多尺度有限元法也是在單元上求解和簡化橢圓邊界值進行基函數(shù)的構(gòu)造。因此，一般情況下對高度非均勻的激光深融焊接接頭而言，利用多尺度有限元法往往能夠獲取到最為精準(zhǔn)的研究結(jié)果，能夠避免過去的有限單元法計算難度大、網(wǎng)格過密的問題，只需要在大尺度上進行計算，就能夠得到過去的有限元法以小尺度進行計算的精確結(jié)果，這顯然有助于降低計算所需要的時間，保證計算的效率。

3 結(jié)語

總而言之，金屬材料的焊接工作具有突出的研究價值，目前來看各種焊接技術(shù)都是通過高溫促使金屬構(gòu)件熔化完成焊接目標(biāo)，二者不可避免的會帶來嚴(yán)重的溫度變化，而隨之產(chǎn)生的大梯度溫度分布、大梯度塑性形變可以說很難消除。目前，我國對于金屬焊接性能的不均勻性及其尺度效應(yīng)還不夠到位，因此在今后的工作中我們有必要對此課題進行進一步的研究和分析。

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