鄭旺旺

（中國(guó)科技大學(xué)精密機(jī)械與儀表系，合肥 230026）

0 引言

根據(jù)ITER校正場(chǎng)線圈盒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1]，選擇激光焊作為焊接方法，焊縫熔深較大，而316LN奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，焊接變形大[2]。為最大限度地減小焊接殘余應(yīng)力與焊接變形，控制焊接質(zhì)量，本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)方法和材料

建立316LN奧氏體不銹鋼平板對(duì)接焊模型，工件為2塊尺寸為100 mm×50 mm×10 mm平板，焊接方法采用激光填絲焊，焊絲為伯合樂(lè)ER316LMn，直徑為φ1.2 mm，坡口形式為帶鈍邊的V型坡口，坡口由鈍邊層、填充層及蓋面層三部分組成。焊接工藝參數(shù)如表1所示。模型建立后劃分網(wǎng)格，輸入工藝參數(shù)，完成熱源校核并定義邊界條件，選擇3D高斯圓錐形熱源[3]進(jìn)行仿真分析。

表1 焊接工藝參數(shù)

2 應(yīng)力場(chǎng)

2.1 焊接過(guò)程應(yīng)力分布

焊接應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)仿真求解完成后，讀取焊接過(guò)程中某一時(shí)刻的應(yīng)力場(chǎng)分布情況。圖1分別顯示工件焊接1800 s的X、Y、Z三個(gè)方向的等效應(yīng)力云圖。其中，由于焊縫冷卻時(shí)的橫向收縮造成的焊縫垂直方向的應(yīng)力稱為橫向應(yīng)力（用σx表示）；主要由于焊縫冷卻時(shí)的縱向收縮造成的沿焊縫方向的應(yīng)力稱為縱向應(yīng)力（用σy表示）。

從圖1可知，焊縫及其附近應(yīng)力較高，而遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域應(yīng)力較低。焊縫的兩端由于受試板兩端約束的作用以及焊縫縱向收縮的影響，產(chǎn)生較高的壓應(yīng)力。焊縫及其熱影響區(qū)由于降溫冷卻收縮會(huì)產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。與焊縫兩端產(chǎn)生的壓應(yīng)力保持平衡。應(yīng)力分布情況與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相一致。

圖1 1800 s的X、Y、Z方向的主應(yīng)力云圖

2.2 焊接殘余應(yīng)力分布

在Visual Environment中提取沿焊縫方向上AB線、垂直于焊縫方向EF線以及厚度方向CD線等特征曲線，焊縫方向AB線（在焊縫上表面下2 mm左右的深度）、垂直焊縫中心線方向的EF線以及鋼板厚度方向CD線。

圖2 模型提取特征曲線示意圖

1）AB線的殘余應(yīng)力分布（沿縱向方向）。焊縫縱向冷卻收縮，沿AB線的sigma22沿縱向的分布以拉應(yīng)力為主，中間出現(xiàn)一段穩(wěn)定的拉應(yīng)力值，最大值達(dá)到250 MPa左右，達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，與文獻(xiàn)[4]中研究結(jié)果一致。趨于焊縫兩端拉應(yīng)力急劇減小，兩端的應(yīng)力值接近0 MPa?？v向應(yīng)力兩端以壓應(yīng)力為主，中間區(qū)域受拉應(yīng)力且數(shù)值不大。

圖3 沿焊縫中心線AB殘余應(yīng)力分布

2）EF線的殘余應(yīng)力分布（沿橫向方向）。

EF線上縱向殘余應(yīng)力的曲線分布呈單峰形態(tài)，焊縫中心處，殘余應(yīng)力為負(fù)值，表面中心處受壓，殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。從中心處到焊縫的焊趾，壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，逐漸增大，拉應(yīng)力在距焊縫中心9 mm位置上升到峰值185 MPa。接著，拉應(yīng)力急劇下降為0直至轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，EF兩側(cè)的壓應(yīng)力可能是焊接試板兩側(cè)受約束造成。

圖5 CD線縱向殘余應(yīng)力曲線

EF線上的橫向殘余應(yīng)力在垂直焊縫方向上的分布曲線，從圖中可以看出，橫向殘余應(yīng)力在焊縫中心處約為220 MPa，沿著焊縫熔池寬度方向逐漸增大，至距離中心線3～4 mm處達(dá)到應(yīng)力最大值290 MPa，然后拉應(yīng)力逐漸減小，在鋼板寬度方向10 mm附近轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力并不斷增大，隨后在距離中心線15 mm附近應(yīng)力發(fā)生減小現(xiàn)象，直至最后。曲線表明，EF方向橫向拉、壓應(yīng)力在焊縫附近發(fā)生顯著變化，而在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域變化不大，一直呈現(xiàn)較低壓應(yīng)力狀態(tài)。

3）CD線的殘余應(yīng)力分布（沿厚度方向）。

CD線的縱向殘余應(yīng)力呈中間為壓應(yīng)力、兩邊為拉應(yīng)力的雙波分布，在板厚3 mm和10 mm方向上拉應(yīng)力最大，達(dá)到150 MPa，而在板厚7 mm方向上呈現(xiàn)壓應(yīng)力最大，數(shù)值為－180 MPa，整體上，縱向殘余應(yīng)力圍繞板厚中心方向上呈對(duì)稱分布。而在圖6～圖8中，橫向殘余應(yīng)力則沒(méi)有規(guī)律，板厚3 mm方向上縱向應(yīng)力達(dá)到最大（370 MPa），同樣在7 mm方向上應(yīng)力最?。?00 MPa），隨后應(yīng)力逐漸增大，并發(fā)生緩慢波動(dòng)，但是整體上，橫向應(yīng)力一直呈現(xiàn)拉應(yīng)力，無(wú)壓應(yīng)力存在。

3 焊接變形

3.1 焊接變形仿真分析

圖6 不同時(shí)刻工件焊接變形云圖

仿真可以顯示焊接過(guò)程中某一時(shí)刻變形的狀況，圖5分別表示工件在600、1200、1800 s時(shí)刻放大5倍的變形云圖。其中：第一道焊縫焊接完成后的焊接變形云圖顯示的最大焊接變形為0.37 mm；第二道焊縫焊接完成后的焊接變形云圖顯示最大焊接變形為0.73 mm；第三道焊縫焊接完成后的焊接變形云圖，焊接變形達(dá)到0.94 mm。

在縱向和橫向上：焊縫冷卻后產(chǎn)生了殘余變形，焊接變形沿垂直焊縫方向由中心向兩側(cè)均勻變化，焊縫中心處變形最大，兩側(cè)遠(yuǎn)離焊縫方向變形逐漸遞減，其原因是焊接加熱過(guò)程中，焊件局部區(qū)域（如熔池和熱影響區(qū)）的材料的熱脹冷縮受到四周約束的限制作用，從而產(chǎn)生了不均勻的壓縮變形，同樣在焊后冷卻過(guò)程中，發(fā)生壓縮變形的材料受到相鄰金屬和外界剛性約束的作用而不能自由收縮，并在某種程度上受到拉伸而卸載，但因拉伸后卸載的塑性變形不足以抵消之前產(chǎn)生的焊接過(guò)程變形，所以在焊后熱過(guò)程完成以后，工件宏觀上產(chǎn)生了縱向和橫向的收縮變形。在厚度方向上，厚板單側(cè)多層焊接中，焊縫正面的橫向收縮量大，背面收縮量因熱影響少而相對(duì)較小，這樣工件的橫向收縮的不均勻分布造成了厚度方向上的角變形。多層多道焊中，每焊完一層，殘余角變形逐漸增大。

3.2 焊接變形測(cè)量和分析

利用焊縫檢測(cè)尺、游標(biāo)卡尺等專用測(cè)量工具對(duì)焊接前后工件尺寸進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比焊接前后工件外形尺寸變化情況。對(duì)于表2中項(xiàng)目A、B，究其原因?yàn)榻亲冃我?，?shí)際值相比較理論值的變化如圖7所示，角度變化了4°，與軟件仿真結(jié)果相符。

圖7 工件實(shí)測(cè)變形與理論輪廓對(duì)比

對(duì)于檢測(cè)項(xiàng)目C、D，究其原因則為焊接塑性變形和冷熱收縮導(dǎo)致試件橫向和縱向收縮產(chǎn)生的尺寸變化，即產(chǎn)生的外形的收縮變形，而從縱向?qū)嶋H測(cè)量值可以看出，焊縫側(cè)的尺寸小于遠(yuǎn)離焊縫側(cè)的尺寸，這與仿真中的云圖中焊縫近的位置變形大相一致，整體上看，工件變形測(cè)量結(jié)果與仿真分析結(jié)果一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)奧氏體不銹鋼316LN對(duì)接接頭進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了焊接應(yīng)力場(chǎng)、殘余應(yīng)力分布以及焊接變形情況。結(jié)論如下：本文中殘余應(yīng)力的分布規(guī)律及焊接變形的分析結(jié)果與文獻(xiàn)資料相符。表明采用三維有限元模擬技術(shù)可以掌握激光焊接應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布規(guī)律和變化特點(diǎn)，為焊接變形的控制和焊接質(zhì)量的提高提供理論依據(jù)。