多層激光焊接接頭不均勻性的微觀組織和殘余應(yīng)力形成機(jī)理*

程智勇，李曉娟，陳文尉，周歡偉

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣州 510430）

0 引言

激光焊接接頭的金相組織演變和應(yīng)力分布是受焊接熱循環(huán)過(guò)程的作用，因厚板焊接選取的多層焊接工藝受熱循環(huán)影響，形成焊縫厚度方向的應(yīng)力和組織產(chǎn)生變化，使應(yīng)力和組織分布不均勻，導(dǎo)致多層焊接接頭的壽命及性能受到影響?，F(xiàn)有研究主要集中在焊接接頭激光及電弧、熱影響區(qū)域的應(yīng)力和組織上，對(duì)于焊縫厚度方向的應(yīng)力和組織分析較少，使多層焊接接頭不均勻性的應(yīng)力和組織形成機(jī)理不清楚，對(duì)焊接接頭組織性能無(wú)法有效控制。為更好地研究多層焊接接頭不均勻性微觀組織和殘余應(yīng)力，本文將微觀組織、數(shù)值模擬仿真和殘余應(yīng)力分析相結(jié)合，構(gòu)建應(yīng)力場(chǎng)及溫度場(chǎng)模型，研究其接頭不均勻性的微觀組織和殘余應(yīng)力形成機(jī)理[1]。

1 多層焊接應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)模型構(gòu)建

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為厚20 mm的Q345低合金鋼，采用YLS-1000型激光器，在激光打底自熔焊接過(guò)程中，可將焊接接頭與垂直焊接方向偏轉(zhuǎn)6°，如圖1所示。激光自熔打底焊接厚板T型接頭的過(guò)程如圖2所示，與對(duì)接焊接頭相同，為減小激光焊過(guò)程產(chǎn)生的飛濺對(duì)光路與焊接頭的不良影響，將焊接接頭與垂直焊接方向偏轉(zhuǎn)6°。焊接過(guò)程中采用100%Ar的保護(hù)氣，保護(hù)氣流量為1.5 m3/h。

圖1 對(duì)接焊厚板的示意圖

圖2 T型焊厚板的示意圖

1.2 相關(guān)的幾何模型

分析表明，激光焊接的過(guò)程較復(fù)雜，存在動(dòng)態(tài)的熔池、電弧、熔滴和小孔等，并發(fā)生激烈的化學(xué)及物理反應(yīng)，包括光致等離子體和小孔的形成、電弧高溫區(qū)域、激光與電弧的熱力分布、熔池流體動(dòng)力學(xué)、金屬凝固過(guò)程及應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程[2]等。

幾何模型設(shè)定條件如下：（1）工件初溫25℃；（2）焊接速度穩(wěn)定，能量輸出恒定；（3）熔池內(nèi)部現(xiàn)象可忽略；（4）焊接熱傳導(dǎo)可忽略。

焊件三維幾何模型的網(wǎng)格劃分通常采用疏密有致方式[3]；焊縫溫度較高，網(wǎng)格較密；網(wǎng)格采用較疏形式提高直觀計(jì)算精度[4]。所以，本文厚板對(duì)接焊縫具有載荷對(duì)稱分布，可采用1 mm與4 mm的網(wǎng)格單元，如圖3所示為多層厚板焊接建立的三維幾何模型。

1.3 材料參數(shù)

研究激光焊接溫度場(chǎng)變化應(yīng)確定比熱、密度和導(dǎo)熱等參數(shù)的性能；研究其應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)確定應(yīng)力、熱膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比等參數(shù)熱物理性能。因?yàn)楹芏嗖牧蠀?shù)的熱物理性能在接近熔化狀態(tài)時(shí)變化，而且某項(xiàng)參數(shù)變化的趨勢(shì)隨溫度截然不同[5]。本文采用的Q345鋼各項(xiàng)參數(shù)的熱物性如表1所示。

1.4 單元類型

有限元法是把連續(xù)的幾何機(jī)構(gòu)離散成有限多個(gè)單元。本文中所述的激光厚板小間隙多層焊接過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的有限元分析，研究應(yīng)力場(chǎng)時(shí)單元的自由度選擇位移[6]，而研究溫度場(chǎng)時(shí)單元的自由度則是溫度。

在ANSYS單元庫(kù)中單元類型有多種，有三方面內(nèi)容在選擇時(shí)需要考慮：（1）單元類型（p單元、四面體與線形）和單元自由度是否相融洽；（2）可非線性的瞬時(shí)分析；（3）厚板激光焊接條件下，應(yīng)該采用三維實(shí)體單元。

1.5 熱源三維模型

對(duì)于激光焊接過(guò)程，功率較大，本文激光熱源采用三維錐體作為熱源模型[7]。針對(duì)厚板激光焊接工藝，分別模擬電弧與激光的加熱作用選擇雙橢球與三維錐體熱源；對(duì)于自熔激光焊接，運(yùn)用熱源模型三維錐體進(jìn)行焊接過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)的模擬；而對(duì)于窄縫（?。╅g隙激光復(fù)合電弧焊接，則焊接過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)將雙橢球和三維錐體復(fù)合熱源進(jìn)行模擬。熱源模型三維錐體如圖4所示。

圖3 三維幾何模型

其熱流模型表達(dá)式為：

熱源模型雙橢圓球如圖5所示。

其熱流模型表達(dá)式為：

已知af、ar、b、c分別為雙橢圓球熱源參數(shù)；qf、qr分別為分布函數(shù)；Q為熱量輸入量；ff與fr為能量分?jǐn)?shù)，則：

2 多層焊接接頭不均勻性微觀組織成因

上述對(duì)多層焊縫接頭不均勻性微觀組織方向由垂直或沿焊縫構(gòu)成，現(xiàn)已有深入研究。因此，本文結(jié)合不均勻性微觀組織機(jī)理對(duì)多層焊縫溫度場(chǎng)建立模型分析。

在構(gòu)建完成多層厚板焊接溫度場(chǎng)建模的基礎(chǔ)上，選用多層焊接溫度場(chǎng)參數(shù)的模擬仿真，溫度提取點(diǎn)溫度與時(shí)間關(guān)系如圖6所示。由圖可知，多層焊接過(guò)程中厚板各層焊縫的熱循環(huán)曲線有所不同：（1）焊縫的第1、2、3層與第4層的溫度峰值不盡相同；（2）焊縫的第1、2、3層與第4層的冷卻速度具有一定不同，從熔點(diǎn)到溫度線（500℃）所需要的時(shí)間分別為0.79 s、1.39 s、2.05 s和2.89 s。因此，焊接過(guò)程中，焊縫從下層到上層的溫度值上升，冷卻速度下降，焊縫的第1層由細(xì)小針狀體組成；其第2層由沒(méi)粗化的針狀與部分粗化的塊狀體組成；而第3、4層中組織的針狀體消失，全由粗化的塊狀體組成；第4層溫度高、冷卻速度慢，焊縫中鐵素體組織含量增加，馬氏體組織含量減少[8]。

除焊縫各層微觀組織具有不均勻性外，多層“激光-電弧”復(fù)合焊縫層與層之間微觀組織非均勻，進(jìn)一步加劇了整體焊縫的不均勻性，且因焊縫層與層之間微觀組織為“層間鐵素體”，激光焊縫和復(fù)合“激光-電弧”焊縫的層間微觀組織，包含“層間馬氏體”區(qū)域且含“層間鐵素體”區(qū)域，與“激光-電弧”復(fù)合焊縫之間的層間微觀組織相比，不均勻性明顯較強(qiáng)。所以，為分析多層焊縫“層間鐵素體”區(qū)域和“層間馬氏體”區(qū)域的形成機(jī)理，對(duì)兩區(qū)域的熱循環(huán)特征進(jìn)行研究，兩區(qū)域熱循環(huán)曲線與溫度提取點(diǎn)如圖7所示，形成微觀組織在多層焊縫層間不均勻性產(chǎn)生的最主要成因。

表1 Q345鋼的熱物理性能參數(shù)

圖4 熱源模型三維錐體

圖5 熱源模型雙橢圓球

圖6 多層焊接焊縫溫度與時(shí)間曲線

圖7 激光-電弧復(fù)合焊與激光焊層間區(qū)域熱循環(huán)曲線

焊接第2層過(guò)程中，層間區(qū)域溫度云圖如圖8所示，結(jié)合上述熱循環(huán)曲線的“層間鐵素體”區(qū)域和“層間馬氏體”區(qū)域[9]。

因此，激光焊接全過(guò)程均與熱循環(huán)密切相關(guān)。各層焊縫和層間焊縫等不均勻性微觀組織的形成，熱循環(huán)經(jīng)歷程度不同位置是產(chǎn)生不同多層焊縫不均勻性微觀組織的原因。受焊接工藝影響，層間焊縫的熱循環(huán)過(guò)程不同是由上層及下層熱作用不同程度導(dǎo)致的。

圖8 焊接第2層過(guò)程中層間區(qū)域溫度云圖

除此之外，材料自身的金屬固態(tài)相與相變溫度區(qū)域也對(duì)焊縫多層不均勻性的微觀組織形成一定影響。如圖9所示，圖9（a）～（c）分別為316L奧氏體鋼多層焊接最上層、中間層與最下層焊縫區(qū)間的微觀組織。

圖9 多層焊縫的微觀組織

因此，多層熱循環(huán)激光焊接、金屬材料自身的基本相組成與溫度區(qū)域相變產(chǎn)生不均勻性多層焊接焊縫組織具有明顯影響，Q345基本相有較復(fù)雜組成，相變溫度較寬、溫度較低，在熱循環(huán)作用下，多層激光焊接過(guò)程容易形成顯著的微觀組織不均勻性。

3 多層焊接接頭不均勻性殘余應(yīng)力形成機(jī)理

上述結(jié)果表明，多層焊縫各層與層間存在不均勻性的殘余應(yīng)力。因此，本文主要采用與實(shí)際激光焊接過(guò)程工藝參數(shù)相同，并結(jié)合多層焊接應(yīng)力場(chǎng)模型進(jìn)行多層焊接接頭不均勻性殘余應(yīng)力，形成機(jī)理的分析過(guò)程如圖10所示。

（1）多層焊接接頭不均勻性殘余應(yīng)力的成因，對(duì)1～4層焊接焊縫中點(diǎn)處的應(yīng)力與時(shí)間關(guān)聯(lián)曲線進(jìn)行分析，可以看出，1～4層焊縫的殘余應(yīng)力值變化逐漸增大，產(chǎn)生這種不均勻殘余應(yīng)力分布現(xiàn)象的原因和各層焊接焊縫工藝過(guò)程有關(guān)，上至下層焊接時(shí)熱量逐漸減少，焊接速度降低，使焊接殘余應(yīng)力與變形不斷加劇，形成多層焊接接頭各層焊縫產(chǎn)生不均勻性殘余應(yīng)力[10]。

圖10 各層焊縫應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

圖11 焊縫層間位置應(yīng)力變化曲線

（2）對(duì)于多層激光焊接接頭焊縫層間區(qū)間不均勻性殘余應(yīng)力的成因，以層間最強(qiáng)不均勻性的激光焊接和復(fù)合的激光-電弧焊層為對(duì)象，提取相關(guān)層間鐵素體與馬氏體區(qū)域等層間不同應(yīng)力與時(shí)間變化的曲線，如圖11所示。由此得出，因?yàn)閷娱g區(qū)間實(shí)際是在下層焊縫的熱感應(yīng)區(qū)是上層焊縫，所以層間區(qū)域和上下兩層焊縫受熱脹冷縮的影響，層間區(qū)域大于上下層焊縫的殘余應(yīng)力值；對(duì)于層間區(qū)域，“層間馬氏體”區(qū)域大于“層間鐵素體”區(qū)域的殘余應(yīng)力，原因在于上、下層焊縫不均勻熱處理作用，越接近重熔線的溫度越高，上下兩層焊縫變形量以及相變程度都大于離開重熔線較遠(yuǎn)位置區(qū)域，層間不均勻應(yīng)力性的產(chǎn)生致使存在較大的殘余應(yīng)力。因此，多層焊接過(guò)程中，熱循環(huán)不均勻性導(dǎo)致不同位置的變形量和相變程度具有一定差異，使得各層焊縫和焊縫層間區(qū)間存在不均勻殘余應(yīng)力，形成不均勻性的多層焊接接頭殘余應(yīng)力分布。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)多層焊接接頭微觀組織和殘余應(yīng)力的研究，熱循環(huán)不均勻的作用是使多層焊接接頭焊縫產(chǎn)生殘余應(yīng)力和微觀組織不均勻性的主要成因；焊縫各層殘余應(yīng)力和微觀組織不均勻性的產(chǎn)生與各層焊接工藝的差異性有關(guān)；焊縫層間殘余應(yīng)力和微觀組織不均勻性的產(chǎn)生與上、下層焊縫重熔線距離及熱處理作用有關(guān)；此外，復(fù)雜基本相、相變溫度低、相變溫度區(qū)域?qū)挼慕饘俨牧暇哂酗@著的殘余應(yīng)力和微觀組織不均勻性形成趨勢(shì)。