基于Simufact的不銹鋼搭接激光填絲焊與MIG焊數(shù)值模擬

張雪紅 吳世彪 谷曉燕 米志宏 劉艷霞

摘要：采用激光填絲焊與MIG焊焊接SUS301L不銹鋼搭接角焊縫，對(duì)比了兩種焊接方法的焊縫成形差別，并運(yùn)用Simufact.Welding軟件對(duì)兩種焊接方法進(jìn)行了焊接仿真。結(jié)果表明，計(jì)算得到的焊接熔池形狀與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。對(duì)不同焊接方法下的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)與變形進(jìn)行了分析。激光填絲焊與MIG焊過(guò)程都屬于快速加熱與冷卻過(guò)程，但MIG的熱輸入相對(duì)較大，冷卻速度相對(duì)激光填絲焊較慢;兩種焊接方法得到的焊縫熱影響區(qū)處均存在較大的等效應(yīng)力，焊后工件完全冷卻后均發(fā)生變形，MIG焊變形量較大。

關(guān)鍵詞：激光填絲焊;MIG焊;不銹鋼;熔池;溫度場(chǎng);應(yīng)力場(chǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG457.1 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）06-0045-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.08

0 ? ?前言

目前，不銹鋼車(chē)頂結(jié)構(gòu)中的波紋板和邊梁搭接的20 m余長(zhǎng)的焊縫仍使用傳統(tǒng)的熔化極氣體保護(hù)焊，該方法對(duì)焊前的裝配要求低，但焊縫成形不良、變形大、焊接效率低，且極易將上層的薄板焊穿[1-2]。激光焊是一種高能束的精密焊接方法，并且具有速度快、深度大、變形小等一系列優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)工件精度要求很高，而激光填絲焊可以降低工件的裝配要求[3-4]。為了節(jié)約成本，避免耗費(fèi)大量的人力物力，選擇通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)指導(dǎo)試驗(yàn)研究方向，且關(guān)于激光填絲焊模擬計(jì)算方面的研究較少。文中探討了不銹鋼搭接角焊縫激光填絲焊與MIG焊兩種焊接方法中的熱源模型，分析其各自的成形特點(diǎn)以及溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，研究了兩種焊接方法焊后工件的變形特點(diǎn)，為焊接工藝的改進(jìn)提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用母材為奧氏體不銹鋼SUS 301L，材料尺寸為150 mm×100 mm×1 mm與150 mm×100 mm×2 mm;填充焊絲為308A（D=1.2 mm），搭接量30 mm，母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

試驗(yàn)中激光填絲焊所用設(shè)備主要包括IPG YLS-2000光纖激光器、KUKA焊接機(jī)器人和福尼斯送絲機(jī)，焦距300 mm，焦點(diǎn)直徑0.2 mm。激光填絲焊接時(shí)，激光垂直入射，送絲方式為前置送絲，焊絲與工件的夾角為40°，焊接時(shí)采用純氬氣進(jìn)行保護(hù)。MIG焊使用的設(shè)備為福尼斯TPS5000，焊接時(shí)采用純氬氣進(jìn)行保護(hù)。兩種焊接方法所采用的工藝參數(shù)如表2所示。焊接完成后，切成1 mm×1 mm金相試樣，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后，利用ZEISS光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織觀察。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 激光填絲焊熱源模型

根據(jù)焊縫截面金相圖，激光填絲焊采用高斯分布面熱源和圓柱體熱源的組合熱源模型。熱源有效功率如式（1）～式（4）所示[5]，熱源模型如圖1a所示。

面熱源公式為

體熱源公式

式中 P為熱源的總有效功率;PS為面熱源功率; Pv為體熱源功率;η為焊接熱效率，取0.9;λ為體熱源分配系數(shù)（0：無(wú)體熱源功率;1.0：無(wú)面熱源功率，推薦值：0.7～0.9），取 0.9;v為焊接速度，取26 mm/s;qm為面熱源的熱流密度;σ為熱流分布參數(shù);α為熱源集中參數(shù);Qm為體熱源的熱流密度;m<0為內(nèi)生熱的衰減系數(shù);b為內(nèi)生熱集中系數(shù);r0為圓柱有效半徑。在該軟件自帶的面體熱源模型中，激光體熱源圓柱有效半徑r0取0.75 mm。

2.2 MIG焊熱源模型

根據(jù)焊縫截面金相圖，MIG焊采用雙橢球的熱源模型。雙橢球熱源模型是基于焊接熱源前端溫度上升迅速，后半端溫度下降緩慢的考慮，提出雙橢球熱源分布函數(shù)，在焊接方向上，焊接能量分成前后兩個(gè)1/4橢球來(lái)描述熱源。前后兩個(gè)部分熱源的熱流密度分布函數(shù)分別見(jiàn)式（7）、式（8）[6]，熱源模型如圖1b所示。

式中 a、b、cf為橢球形狀特征參數(shù);Q為熱源功率;ff、fb分別為熱源前、后部分的能量分配系數(shù)，ff + fb=2。在此次實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過(guò)多次對(duì)熱源模型的校核，金相腐蝕后測(cè)得的熔寬b和熔深d分別為2.886 mm與1.179 mm。af取值1.2 mm，ar取3 mm。

2.3 材料的熱物理性能

試驗(yàn)用母材為SUS301L不銹鋼，其部分熱物理性能部分來(lái)源于Simufact.Welding材料庫(kù)，部分參數(shù)來(lái)源于Jmatpro的計(jì)算。在本次模擬計(jì)算中，密度、比熱容、熱膨脹系數(shù)隨著溫度變化而變化。

2.4 幾何模型的建立與網(wǎng)格劃分

使用COMSOL Multiphysics軟件建立實(shí)體焊接模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。模型由焊件、固定裝置、支撐臺(tái)、墊板組成，搭接焊接板的平臺(tái)設(shè)置、夾具固定及散熱邊界條件與試驗(yàn)時(shí)保持一致，初始溫度為室溫20℃。劃分網(wǎng)格后，1 mm板共有8 064個(gè)單元，11 052個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 mm板共有45 944個(gè)單元，55 970個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中最小單元的尺寸均為0.5 mm×1 mm×0.5 mm，最大單元為10 mm×10 mm×0.5 mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比分析

3.1 熔池形態(tài)對(duì)比

激光填絲焊與MIG焊接頭的金相截面與對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果如圖3所示。由于激光填絲焊接熱輸入未超過(guò)形成“ 小孔 ”的閾值，所以?xún)煞N焊接方法得到的熔池類(lèi)型均屬于“ 熱導(dǎo)焊 ”形狀。圖3中溫度超過(guò)1 500 ℃的紅色區(qū)域即為焊接熔池，最靠近紅色區(qū)域的線可認(rèn)為是熔合線，可以看出越靠近熔合線的區(qū)域，等溫線越密集，說(shuō)明在固相金屬中此區(qū)域溫度梯度越大。因此，在焊縫結(jié)晶過(guò)程中靠近熔合線區(qū)域的熔池容易產(chǎn)生柱狀晶。由于熔池形態(tài)由其流動(dòng)狀態(tài)以及熔滴過(guò)渡方式共同決定，在模擬計(jì)算中時(shí)利用“ 生死單元 ”方法預(yù)置了填充金屬，未考慮激光、電弧對(duì)熔池表面的作用、表面張力梯度產(chǎn)生的液態(tài)金屬對(duì)流等，因此實(shí)際熔池形狀與模擬計(jì)算結(jié)果有所差異，但總體基本吻合。

3.2 溫度場(chǎng)的分析

激光填絲焊與MIG焊兩種焊接方法下的溫度場(chǎng)分布如圖4所示。由圖4a、4c可知，兩者的溫度場(chǎng)分布均呈拉長(zhǎng)的橢圓形，熱源前方等溫線密集，說(shuō)明此區(qū)域的溫度梯度大;熱源后方等溫線稀疏，溫度梯度小。另外，激光填絲焊形成的熔池小于MIG焊的，這是因?yàn)榧す馓罱z焊的熱能集中，加熱面積較小。因此，激光填絲焊焊縫較窄，MIG焊焊縫較寬。由圖4b、4d可知，MIG焊背面受熱源的影響程度比激光填絲焊大，在MIG焊接過(guò)程中，焊接區(qū)域受熱源作用時(shí)間長(zhǎng)，熱影響區(qū)范圍大，MIG焊焊縫背面溫度高。結(jié)果可以很好地對(duì)應(yīng)實(shí)際焊接過(guò)程中兩種焊接方法焊縫背面顏色狀態(tài)。

分別在激光填絲焊與MIG焊的焊縫處、熱影響區(qū)位置以及距離焊縫6.0 mm處選取3個(gè)節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)其焊接過(guò)程與冷卻后的溫度與應(yīng)力變化情況。無(wú)論是激光填絲焊還是MIG焊，節(jié)點(diǎn)處的溫度變化趨勢(shì)基本一致，熱源靠近后溫度急劇升高，焊縫處達(dá)到母材熔點(diǎn)超過(guò)1 500 ℃，熱影響區(qū)節(jié)點(diǎn)溫度達(dá)到1 000 ℃，遠(yuǎn)離焊縫處的母材溫度較低。熱源離開(kāi)后，節(jié)點(diǎn)處溫度快速下降。兩種焊接方法節(jié)點(diǎn)處的熱循環(huán)曲線如圖5所示。由圖5可知，激光填絲焊節(jié)點(diǎn)處的峰值溫度約為2 760 ℃，MIG焊節(jié)點(diǎn)處的峰值溫度約為2 400 ℃，這是由于激光能量密度大，熔池溫度較高。焊縫背面距離相同的5個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線如圖6所示?？梢钥闯?，激光填絲焊焊接過(guò)程中焊縫背面最高溫度僅為710 ℃，且冷卻速度很快，因此對(duì)焊縫背面影響較小，焊接痕跡顏色較淺。MIG焊焊接過(guò)程中焊縫背面的最高溫度為1 100 ℃，并且冷卻速度相對(duì)于激光焊速度較慢，因此在MIG焊縫的背面母材受熱作用較為明顯，焊接痕跡顏色較深。

3.3 應(yīng)力場(chǎng)的分析

激光填絲焊與MIG焊焊縫、熱影響區(qū)與母材節(jié)點(diǎn)處的三向應(yīng)力變化情況如圖7所示?？梢钥闯觯诤附舆^(guò)程中，當(dāng)熱源接近焊縫節(jié)點(diǎn)處時(shí)，與熱源毗鄰的焊縫節(jié)點(diǎn)與熱影響區(qū)處的金屬熱膨脹受到周?chē)饘俚南拗?，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形，形成自身平衡的內(nèi)應(yīng)力，最大約為250 MPa。隨后在熱源作用下焊縫處的金屬熔化，應(yīng)力急劇下降，只有幾兆帕，可以認(rèn)為是零應(yīng)力狀態(tài);熱影響區(qū)的金屬未被熔化，但與周?chē)饘贉囟忍荻葴p小，應(yīng)力值也有所下降，降至約100 MPa。在工件冷卻過(guò)程中，殘余應(yīng)力逐漸增加，最終趨于穩(wěn)定。激光填絲焊與MIG焊接頭的殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為X向應(yīng)力（焊縫長(zhǎng)度方向）較為明顯，其中激光填絲焊接頭焊縫X向應(yīng)力穩(wěn)定在339 MPa，熱影響區(qū)處X向應(yīng)力穩(wěn)定在362 MPa，母材區(qū)域的X向應(yīng)力為135 MPa;而MIG焊同等位置處X向應(yīng)力分別為300 MPa、350 MPa和202 MPa。根據(jù)熱彈塑性理論，等效應(yīng)力高于材料在相應(yīng)溫度瞬間的屈服強(qiáng)度時(shí)，材料進(jìn)入塑性狀態(tài)，低于時(shí)材料處在彈性狀態(tài)。由于MIG焊的熱輸入大，作用區(qū)域范圍大，因此其等效應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度的區(qū)域更大，產(chǎn)生塑性變形的區(qū)域更大[7]。

焊接過(guò)程中焊接熱源具有瞬時(shí)性與局部集中性，由于中工件受熱不均勻，金屬受高溫膨脹，產(chǎn)生瞬態(tài)熱變形，在焊后冷卻時(shí)不同位置上金屬收縮不均勻，導(dǎo)致工件變形。焊接過(guò)程中的瞬態(tài)熱變形與室溫條件下的殘余變形如圖8所示。圖8a、8b為焊接剛開(kāi)始時(shí)，激光填絲焊與MIG焊的工件變形情況。由于工件受到熱源不均勻加熱時(shí)間較短，加之固定裝置的約束作用，因此工件兩側(cè)幾乎沒(méi)有變形，焊縫處發(fā)生較小變形，激光填絲焊焊縫最大變形量為0.14 mm，MIG焊焊縫變形量為0.25 mm。隨著焊接的進(jìn)行，變形逐漸增大，由于加熱不均勻性與固定裝置的約束作用，變形量較小，主要發(fā)生在2 mm板處，激光填絲焊與MIG焊的變形情況相似，變形量也相同，如圖8c、8d所示。

焊接結(jié)束后，去除固定裝置，工件自由變形。工件完全冷卻到室溫時(shí)，變形趨于穩(wěn)定，模擬結(jié)果如圖9所示。激光填絲焊工件主要發(fā)生的是角變形，根本原因是焊縫冷卻后，橫向收縮在板厚度的分布不均勻，導(dǎo)致2 mm工件發(fā)生翹曲，產(chǎn)生角變形，最大變形量0.58 mm，如圖9a所示;MIG焊工件不僅發(fā)生了角變形，而且發(fā)生了彎曲變形，這是由于MIG焊焊接速度較慢，熱輸入大，同時(shí)引起焊縫橫向與縱向收縮，2 mm工件發(fā)生翹曲與彎曲變形，如圖9b所示。

工件冷卻到室溫后的變形情況如圖10所示。由圖10a、10b可知，激光填絲焊2 mm板單側(cè)變形量為0.6 mm;MIG焊2 mm板不僅發(fā)生角變形，還發(fā)生了彎曲變形，變形情況如圖10c、10d所示。工件實(shí)際變形量與模擬結(jié)果變形情況基本吻合，但實(shí)際變形量比模擬計(jì)算的變形量稍大一些，可能是在焊接前板材本身存在少量變形，造成結(jié)果有所偏差。

4 結(jié)論

（1）激光填絲焊與MIG焊兩種焊接方法通過(guò)模擬計(jì)算得到的熔池形貌與實(shí)際熔池形貌基本吻合;由于激光填絲焊的能量集中，MAG焊能量較為分散，并且MIG焊的熱輸入大，高溫作用區(qū)域較大，焊縫正面成形較好時(shí)，背面受熱影響變形嚴(yán)重。

（2）在兩種焊接方法的焊接過(guò)程中，等效應(yīng)力的最大值與熱源同步向前移動(dòng)。兩種焊接方法的焊縫、熱影響區(qū)等效應(yīng)力大小近似，但靠近焊縫相同位置的母材處，MIG焊約為激光填絲焊的2倍，一次MIG焊的變形趨勢(shì)大;焊后除去夾具約束后，激光填絲焊焊后的實(shí)際工件變形小于MIG焊，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際變形情況基本吻合。

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