高強(qiáng)鋼激光電弧復(fù)合焊接溫度場的數(shù)值模擬與試驗研究

周勇，張成文，張國軍，付甲，牛楠，刁路青，王洪鐸

先進(jìn)焊接與連接

高強(qiáng)鋼激光電弧復(fù)合焊接溫度場的數(shù)值模擬與試驗研究

周勇1，張成文1，張國軍2，付甲1，牛楠2，刁路青2，王洪鐸1

（1. 西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065； 2. 遼河油田建設(shè)有限公司，遼寧 盤錦 124120）

對厚度為12 mm的HG785D高強(qiáng)鋼進(jìn)行復(fù)合焊接，獲取最佳焊接工藝參數(shù)，建立適用于激光-MIG（Metal Inert Gas Welding）復(fù)合焊接的熱源模型。采用激光-MIG復(fù)合焊接方法進(jìn)行焊接試驗，建立適用于HG785D高強(qiáng)鋼激光-MIG復(fù)合焊接的“高斯錐形體+均勻錐形體+高斯柱形體”復(fù)合熱源模型，描述復(fù)合熱源的能量分布，運用ANSYS有限元分析軟件，對HG785D高強(qiáng)鋼激光-MIG復(fù)合焊接溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬。在最佳工藝參數(shù)下，焊縫的成形性良好，未出現(xiàn)裂紋、氣孔和未焊透等缺陷；模擬與試驗獲得的焊接接頭宏觀形貌及特征點溫度循環(huán)曲線規(guī)律相吻合。獲得了適合12 mm厚HG785D高強(qiáng)鋼的最佳焊接工藝參數(shù)，復(fù)合熱源模型適用于高強(qiáng)鋼激光-MIG復(fù)合焊接溫度場模擬。

激光-MIG復(fù)合焊接；高強(qiáng)鋼；數(shù)值模擬；溫度場

HG785D鋼是一種低合金高強(qiáng)鋼，具有強(qiáng)度高、韌性好、重量輕等優(yōu)點[1]，被廣泛應(yīng)用于船舶、橋梁和機(jī)械制造等領(lǐng)域[2-3]。一般采用傳統(tǒng)熔化焊對其進(jìn)行焊接，存在熔深淺、焊接變形大等問題。當(dāng)采用單一激光焊接時，由于熔池橋搭能力差、焊縫組對間隙要求高，因此，焊接質(zhì)量較難保證[4-5]。激光電弧復(fù)合焊接（Hybrid Laser Arc Welding，HLAW）是一種復(fù)合熔化焊接技術(shù)，可解決以上問題。其熱源通過激光和電弧耦合而成，具有能量高、電弧穩(wěn)定、焊接變形小和熔池橋搭能力強(qiáng)等優(yōu)點，適合中厚板高強(qiáng)鋼的焊接[6-7]。激光電弧復(fù)合焊接工藝參數(shù)較多，僅采用試驗進(jìn)行研究，成本高、效率低。近年來，焊接過程的有限元數(shù)值模擬越來越受到研究者們的青睞[8-10]。陳柏炎等[11]利用ANSYS有限元軟件對2219鋁合金（厚度為6 mm）的激光-MIG復(fù)合焊接溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，模擬的焊縫宏觀形貌與試驗結(jié)果基本相吻合。同樣，許新猴等[12]利用ANSYS有限元軟件對厚度均為5 mm的A514與D500異種鋼的激光-GMAW復(fù)合焊接過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，模擬獲得的接頭宏觀形貌與試驗結(jié)果接近。目前，關(guān)于高強(qiáng)鋼激光-MIG復(fù)合焊溫度場數(shù)值模擬的研究報道較少。

文中以HG785D高強(qiáng)鋼為研究對象，擬采用激光-MIG復(fù)合焊接方法進(jìn)行焊接試驗，以獲得最佳焊接工藝參數(shù)?；谠囼瀰?shù)，利用ANSYS有限元分析軟件對高強(qiáng)鋼的激光-MIG復(fù)合焊接溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，隨后對比模擬與試驗得到的接頭橫截面宏觀形貌及特征點熱循環(huán)曲線，以驗證建立的有限元模型的準(zhǔn)確性。

1 試驗

試驗用高強(qiáng)鋼為HG785D，主要化學(xué)成分見表1。對接試板單側(cè)的長×寬×高為300 mm×150 mm× 12 mm，接頭形式為對接，開設(shè)X型坡口，坡口角度為35°，鈍邊為2 mm，對口間隙為0.5 mm。焊絲型號為ER80-G，直徑為1.2 mm，其主要化學(xué)成分見表2。保護(hù)氣體選用80%Ar+20%CO2的混合氣（體積分?jǐn)?shù)）。

表1 HG785D高強(qiáng)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

表2 ER80-G焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

激光-MIG復(fù)合焊接系統(tǒng)由IPG公司的YLS- 4000型光纖激光器、KEMPPI公司的Kemp Arc SYN400型MIG焊機(jī)和安川公司YASKAWA HP20D型機(jī)器人組成，其中光纖激光器額定功率為4 kW，波長為1070～1080 nm，焦點直徑為0.6 mm。

2 試驗方案與有限元模型的建立

2.1 試驗方案

試驗前，先用丙酮清洗試板，除去表面油污，然后用砂紙清除表面氧化物，露出金屬光澤。其次對試板兩端進(jìn)行焊接點固，然后水平固定于焊接工作臺上。同時，在試板表面設(shè)定和特征點（和特征點分別位于距離焊接起始端150 mm，距坡口邊緣6 mm和3 mm處），焊接時采用熱電偶對特征點溫度進(jìn)行監(jiān)測，如圖1所示。激光-MIG復(fù)合焊接試驗采用激光在前、電弧在后的方式進(jìn)行焊接。在焊接過程中，激光垂直作用于工件上，MIG焊槍與激光焊槍呈30°夾角。焊接工藝參數(shù)：焊接電流為185 A，焊接電壓為24 V，氣體流量為25 L/min，光絲距離為2 mm，離焦量為?2 mm，正面和反面的焊接速度分別為840，800 mm/min，激光功率分別為3.5，3 kW。焊后垂直于焊接方向線切割金相試樣，經(jīng)粗磨、細(xì)磨和機(jī)械拋光后，采用5%（體積分?jǐn)?shù)）的硝酸乙醇溶液對試樣表面進(jìn)行侵蝕。采用Neophot-21型光學(xué)顯微鏡觀察接頭宏觀形貌。

圖1 特征點分布示意（mm）

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 三維模型的建立及網(wǎng)格劃分

三維模型依據(jù)實際焊接試板建立，尺寸為300 mm×150 mm×12 mm，焊縫總長度為300 mm。在距離焊縫較遠(yuǎn)處，溫度變化不明顯，因此，采用較稀疏的網(wǎng)格。在焊縫及其附近處，溫度變化明顯，因此，采用較密的網(wǎng)格[13]。網(wǎng)格劃分如圖2所示，共有128 466個節(jié)點，45 124個單元。

2.2.2 HG785D高強(qiáng)鋼的熱物理性能參數(shù)

材料熱物理性能參數(shù)是熱分析的基礎(chǔ)，直接影響復(fù)合焊接溫度場的最終模擬結(jié)果。在對復(fù)合焊接溫度場模擬時，需要確定以下熱物理性能參數(shù)（見表3）。試件的初始溫度、材料密度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)、比熱容和熱導(dǎo)率。其中HG785D高強(qiáng)鋼試件的初始溫度（25 ℃）和密度（7750 kg/m3）為常數(shù)。當(dāng)溫度為0～1100 ℃時，其他熱物理性能參數(shù)采用實測數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度高于1100 ℃時，其他熱物理性能參數(shù)進(jìn)行插值[14]。

圖2 網(wǎng)格劃分示意

表3 熱物理性能參數(shù)

2.2.3 熱源模型的描述

焊接熱源模型的建立原則：在實際的熱輸入條件下，模擬的焊縫熔合線與實際焊縫熔合線相吻合，則建立的熱源模型準(zhǔn)確[12,15]。激光電弧復(fù)合焊接過程中不僅需要考慮激光與電弧之間的耦合效應(yīng)，還需注意激光帶來的“小孔效應(yīng)”[16]。文中電弧熱源為高斯錐形體熱源和均勻錐形體熱源，激光熱源為高斯柱形體熱源。各熱源模型的能量分布利用式（1—3）計算。

1）高斯錐形體熱源[15]。

2）均勻錐形體熱源[15]。

3）高斯柱形體熱源[16-17]。

(3)

2.2.4 初始條件和邊界條件

將初始條件設(shè)定為常溫（25 ℃）。邊界條件的設(shè)定接近實際情況，由于試板下面有墊板，試板與墊板之間會發(fā)生熱傳導(dǎo)，忽略墊板的溫度變化，對試板下表面施加與其他表面相同的自然對流系數(shù)和熱輻射系數(shù)。模擬中施加的自然對流系數(shù)為5×10?4W/ (mm2?℃)，熱輻射系數(shù)為9×10?3W/(mm2?℃)。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 焊接接頭宏觀形貌及特征點熱循環(huán)曲線分析

焊接接頭橫截面宏觀形貌如圖3所示，焊縫的成形性良好，未出現(xiàn)明顯的裂紋、氣孔和未焊透等缺陷，接頭中的焊核區(qū)和熱影響區(qū)清晰可見。正面焊接時激光功率更大，使得大量金屬蒸汽發(fā)生電離，進(jìn)而產(chǎn)生了大量的等離子體，加劇了電弧的燃燒，產(chǎn)生了更深的小孔，增加了熔深。此外，隨著激光對熔池的攪拌作用加劇，熔池的流動性變得更好，進(jìn)而導(dǎo)致熔寬增加[18]。

圖3 焊接接頭橫截面宏觀形貌

焊接時，通過熱電偶測溫法對和特征點的溫度變化規(guī)律進(jìn)行測試，獲得的熱循環(huán)曲線如圖4所示。從圖中可以看出，熱源未作用之前，，特征點的溫度與周圍介質(zhì)的溫度相同，在激光電弧復(fù)合熱源作用的瞬間，溫度迅速上升，特征點處升至最高溫度（313 ℃）用時5 s，特征點處升至最高溫度（884 ℃）用時4 s，當(dāng)復(fù)合熱源離開后，溫度迅速下降。

圖4 特征點熱循環(huán)曲線

3.2 溫度場模擬結(jié)果分析

文中采用“生死單元”將整個雙面焊接過程分為122步，正面60步，每步加載時間為0.35 s，背面60步，每步加載時間為0.37 s。第61步和第122步用來對焊接過程進(jìn)行冷卻，時間設(shè)置為100 s。圖5為模擬焊接過程的試板正面溫度場分布云圖，由圖5a第1步加載溫度場云圖可見，激光-MIG復(fù)合焊接過程中熱影響區(qū)較小，焊縫附近等溫線密集，溫度場梯度大，此時最高溫度為3842.6 ℃。由圖5b第60步加載溫度場云圖可見，焊接時試板快速升溫、緩慢降溫，高溫區(qū)形狀飽滿，最高溫度達(dá)3871 ℃，熱源后方等溫線稀疏，溫度場梯度小，這是由于焊接過程中，熱源后方金屬內(nèi)部溫度向周圍均勻擴(kuò)散，最終因與周圍環(huán)境的對流和輻射作用使得自身冷卻。焊接過程完成后，試板恢復(fù)初始時刻溫度，此時溫度場云圖如圖5c所示。

圖5 試板正面溫度場分布云圖

3.3 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析

3.3.1 模擬與試驗的焊接接頭宏觀形貌對比

截取=10 s（焊接已經(jīng)穩(wěn)定）時的模擬焊縫橫截面溫度場云圖，與試驗焊縫進(jìn)行對比，見圖6，可以發(fā)現(xiàn)模擬與試驗獲得的接頭橫截面宏觀形貌相吻合，均呈典型的上寬下窄的“釘形”焊縫。焊縫模擬尺寸：熔深為6.94 mm，熔寬為3.28 mm。焊縫實際尺寸：熔深為6.91 mm，熔寬為3.17 mm，模擬與試驗獲得的焊縫熔深及熔寬誤差均小于4%。同時可以看出，在模擬過程中，激光電弧復(fù)合焊接熱源中心的最高溫度達(dá)到了2200 ℃以上，接近高強(qiáng)鋼的沸點，這有利于小孔的形成，并可實現(xiàn)大熔深焊接[19]。模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合，驗證了該有限元模型的準(zhǔn)確性。

3.3.2 模擬與試驗特征點溫度循環(huán)曲線對比

由圖7可以看出，模擬與試驗得到的和特征點熱循環(huán)曲線的變化規(guī)律吻合，特征點處的模擬最高溫度和試驗最高溫度分別為325，313 ℃，特征點處的模擬最高溫度和試驗最高溫度分別為910，884 ℃，，特征點的模擬與試驗最高溫度誤差均小于4%，表明所選熱源模型及設(shè)置的邊界條件適用于高強(qiáng)鋼激光-MIG復(fù)合焊接溫度場的數(shù)值模擬。這進(jìn)一步驗證了該有限元模型的準(zhǔn)確性。

圖6 模擬與試驗焊接接頭橫截面宏觀形貌對比

圖7 特征點熱循環(huán)曲線對比

4 結(jié)語

通過對HG785D高強(qiáng)鋼進(jìn)行激光-MIG復(fù)合焊接試驗，獲得了最佳焊接工藝參數(shù)?；谠囼瀰?shù)，利用ANSYS有限元分析軟件對高強(qiáng)鋼激光-MIG復(fù)合焊接溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，隨后對比模擬與試驗得到的接頭橫截面宏觀形貌及特征點熱循環(huán)曲線，得到了以下3點結(jié)論。

1）對HG785D高強(qiáng)鋼進(jìn)行激光-MIG復(fù)合焊接試驗，結(jié)果表明，當(dāng)激光功率為3～3.5 kW時，焊接電流為185 A，焊接電壓為24 V，焊接速度為800～ 840 mm/min的條件下，焊縫的成形性良好。

2）電弧熱源模型選用高斯錐形體熱源和均勻錐形體熱源，高斯柱形體熱源作為激光熱源的復(fù)合熱源模型，該模型獲得的接頭橫截面宏觀形貌及特征點熱循環(huán)曲線與試驗結(jié)果吻合。

3）在復(fù)合焊接過程中，熱源中心的最高溫度達(dá)到了2200 ℃以上，達(dá)到了高強(qiáng)鋼的沸點，這有利于小孔的形成，并可實現(xiàn)大熔深的焊接。

[1] 井志成, 張國瑜, 王子健, 等. 高效激光-MAG復(fù)合焊接船用高強(qiáng)鋼的性能[J]. 中國激光, 2019, 46(8): 111-117.

JING Zhi-cheng, ZHANG Guo-yu, WANG Zi-jian, et al. Properties of Marine High-Strength Steel by High-Effi-ciency Laser-MAG Hybrid Welding[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(8): 111-117.

[2] 劉政君, 顧思遠(yuǎn), 張培磊, 等. 高強(qiáng)鋼激光-MIG復(fù)合焊對接間隙下的焊縫成形機(jī)理[J]. 中國激光, 2019, 46(9): 121-127.

LIU Zheng-jun, GU Si-yuan, ZHANG Pei-lei, et al. Welding Seam Forming Mechanism of High-Strength Steel Laser-Metal Inert Gas Hybrid Welding with Butt Gap[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(9): 121- 127.

[3] 胡新陽, 李紅濤, 宋緒丁. HG785D鋼在不同焊接工藝下的焊接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展研究[J]. 熱加工工藝, 2015, 44(9): 31-33.

HU Xin-yang, LI Hong-tao, SONG Xu-ding, et al. Research on Fatigue Crack Growth of Welded Joints of HG785D Steel under Different Welding Process[J]. Hot Working Technology, 2015, 44(9): 31-33.

[4] 高國天. 熱輸入對工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼焊接接頭組織和性能的影響[J]. 熱加工工藝, 2016, 45(13): 250-253.

GAO Guo-tian. Effect of Heat Input on Microstructure and Mechanical Properties of GMAW Welded Joint for High Strength Machinery Steel[J]. Hot Working Technology, 2016, 45(13): 250-253.

[5] RIBIC B, PALMER T A, Debroy T. Problems and Issues in Laser-Arc Hybrid Welding[J]. International Materials Reviews, 2009, 54(4): 223-244.

[6] ATABAKI M M, MA J, YANG G, et al. Hybrid Laser/Arc Welding of Advanced High Strength Steel in Different Butt Joint Configurations[J]. Materials and Design, 2014, 64: 573-587.

[7] ACHERJEE B. Hybrid Laser Arc Welding: State-of-Art Review[J]. Optics and Laser Technology, 2018, 99: 60-71.

[8] EVA B, MáRIA B. Numerical Simulation of Temperature Fields by Welding of Ti-Al Alloys Applying Volumetric Heat Source[J]. Advanced Materials Research, 2014, 2989: 1280-1283.

[9] 吳言高, 李午申, 鄒宏軍, 等. 焊接數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 焊接學(xué)報, 2002(3): 89-92.

WU Yan-gao, LI Wu-shen, ZOU Hong-jun, et al. Development Status of Welding Numerical Simulation Technology[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2002(3): 89-92.

[10] LU Y H, ZHU S C, ZHAO Z T, et al. Numerical Simulation of Residual Stresses in Aluminum Alloy Welded Joints[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2020, 50: 380-393.

[11] 陳柏炎, 陳遠(yuǎn)亭, 李先芬, 等. 2219鋁合金激光電弧復(fù)合焊接及其溫度場的模擬[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2019(9): 78-82.

CHEN Bo-yan, CHEN Yuan-ting, LI Xian-fen, et al. Laser-MIG Hybrid Welding of 2219 Aluminum Alloy and Its Numerical Simulation on Temperature Field[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2019(9): 78-82.

[12] 許新猴, 趙小強(qiáng), 華鵬, 等. 異種鋼激光-電弧焊復(fù)合焊接數(shù)值模擬[J]. 精密成形工程, 2015, 7(4): 71-75.

XU Xin-hou, ZHAO Xiao-qiang, HUA Peng, et al. Simulation on Laser-GMAW Hybrid Welding of Heterogeneous Steel[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2015, 7(4): 71-75.

[13] 張書權(quán), 姚君山. 熱絲填充激光多層焊溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬[J]. 熱加工工藝, 2019, 48(7): 228-232.

ZHANG Shu-quan, YAO Jun-shan. Numerical Simulation of Temperature and Stress Fields in Hot Wire Filling Laser Multilayer Welding[J]. Hot Working Technology, 2019, 48(7): 228-232.

[14] 余淑榮, 熊進(jìn)輝, 樊丁, 等. ANSYS在激光焊接溫度場數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J]. 焊接技術(shù), 2006, 35(5): 6-9.

YU Shu-rong, XIONG Jin-hui, FAN Ding, et al. Application of ANSYS in Numerical Simulation of Temperature Field in Laser Welding[J]. Welding Technology, 2006, 35(5): 6-9.

[15] 谷京晨, 童莉葛, 黎磊, 等. 焊接數(shù)值模擬中熱源的選用原則[J]. 材料導(dǎo)報, 2014, 28(1): 143-146.

GU Jing-chen, TONG Li-ge, LI Lei, et al. Selection Criteria of Heat Source Model on the Welding Numerical Simulation[J]. Materials Reports, 2014, 28(1): 143-146.

[16] EVDOKIMOV A, DOYNOV N, OSSENBRINK R, et al. Thermo-Mechanical Laser Welding Simulation of Dissimilar Steel-Aluminum Overlap Joints[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2021, 190: 106019.

[17] 吳東, 李文亞, 溫泉, 等. 雙軸肩攪拌摩擦焊接頭溫度場和流場數(shù)值模擬分析[J]. 精密成形工程, 2019, 11(6): 114-118.

WU Dong, LI Wen-ya, WEN Quan, et al. Numerical Simulation of Temperature and Fluid Flow Field during Bobbin-Tool FSW[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(6): 114-118.

[18] 馮聰, 朱加雷, 焦向東, 等. 激光-等離子電弧復(fù)合焊接參數(shù)對焊縫形貌的影響[J]. 熱加工工藝, 2020, 49(7): 48-52.

FENG Cong, ZHU Jia-lei, JIAO Xiang-dong, et al. Influence of Laser-Plasma Arc Composite Welding Parameterson Weld Morphology[J]. Hot Working Technology, 2020, 49(7): 48-52.

[19] FENG Y Z, GAO X D, ZHANG Y X, et al. Simulation and Experiment for Dynamics of Laser Welding Keyhole and Molten Pool at Different Penetration Status[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, 112(7): 2301-2312.

Numerical Simulation and Experimental Study of Temperature Field of Hybrid Laser Arc Welding Joint of High Strength Steel

ZHOU Yong1, ZHANG Cheng-wen1, ZHANG Guo-jun2, FU Jia1, NIU Nan2, DIAO Lu-qing2, WANG Hong-duo1

(1. School of Materials Science and Engineering, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China; 2. Liaohe Oilfield Construction Company Limited, Panjin 124120, China)

The work aims to weld HG785D high strength steel with a thickness of 12 mm by hybrid welding and obtain the optimal welding process parameters, so as to establish the heat source model suitable for laser-MIG (Metal Inert Gas Welding) hybrid welding. The laser-MIG hybrid welding method was used for welding experiment, and a Gaussian cone + uniform cone + Gaussian cylindrical hybrid heat source model suitable for laser-MIG hybrid welding of HG785D high strength steel was established to describe the energy distribution of the hybrid heat source. The temperature field of laser-MIG hybrid welding of HG785D high strength steel was simulated by ANSYS finite element analysis software. Under the optimal process parameters, the weld was well formed without any cracks, pores and incomplete penetration. The macroscopic morphology of the hybrid welded joint and the temperature cycle curve of the characteristic point obtained by experiment and simulation were consistent. The optimal welding process parameters suitable for 12 mm thick HG785D high strength steel are obtained, and the hybrid heat source model is suitable for the temperature field simulation of laser-MIG hybrid welding of high strength steel.

laser-MIG hybrid welding; high strength steel; numerical simulation; temperature field

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.019

TG456

A

1674-6457(2022)01-0153-06

2021-06-07

國家自然科學(xué)基金（51905427）；西安石油大學(xué)“材料科學(xué)與工程”省級優(yōu)勢學(xué)科資助項目（YS37020203）；西安石油大學(xué)研究生創(chuàng)新與實踐能力培養(yǎng)計劃資助項目（YCS20212113）

周勇（1963—），男，博士，教授，主要研究方向為石油工程材料焊接與表面工程技術(shù)。

王洪鐸（1976—），男，博士，高級實驗師，主要研究方向為金屬材料焊接及表面工程。