王永峰
摘要:采用激光電弧復合焊獲得了不同焊接工藝參數(shù)下的10 mm AH36鋼對接焊焊接接頭,分析了不同工藝參數(shù)下的焊縫成形特點、金相組織及力學性能,基于有限元軟件獲得了典型的激光復合焊溫度場分布,并針對6 m×6 m×6 mm 的大幅面板焊接變形情況進行模擬。研究發(fā)現(xiàn),激光功率可以顯著改變焊接熔深,并對焊縫形貌也有一定的影響;焊接電流對熔深的影響小于激光功率對熔深的影響,焊接電流對焊縫熔寬及形貌影響較大;激光復合焊焊縫區(qū)主要為針狀鐵素體和粒狀貝氏體組織,粗晶區(qū)組織主要為粒狀貝氏體、鐵素體和馬氏體組織;激光功率的變化對電弧區(qū)硬度影響不大,但對激光區(qū)有一定影響,焊縫硬度隨激光功率的增大而增加,焊接電流的增大總體上使得焊縫區(qū)和熱影響區(qū)硬度降低;約束位置對焊接變形有重要影響,約束位置距離焊縫中心越近,焊后變形量越小。
關(guān)鍵詞:焊縫成形;工藝參數(shù);組織與力學性能;數(shù)值模擬;焊接變形
中圖分類號:TG456.7? ? ? ? ?文獻標志碼:A? ? ? ? ?文章編號:1001-2003(2021)01-0105-07
DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.17
0? ? 前言
焊接是海洋與船舶工程中的一項關(guān)鍵技術(shù),其工時與成本占船體建造的 30%~50%,焊接效率和質(zhì)量影響著船舶制造的成本、質(zhì)量和周期。同時,未來造船與海洋工程裝備建設正朝著多樣化、大型化、高檔化的趨勢發(fā)展,對焊接的效率及質(zhì)量提出了更高的要求[1]。
A36鋼作為低合金高強度的船體結(jié)構(gòu)鋼,常用于制作重要的船體結(jié)構(gòu)[2]。目前中厚板A36鋼通常采用埋弧焊進行焊接,但埋弧焊接頭存在熱影響區(qū)寬度大、組織粗大、焊后變形量大等問題,直接影響了焊件性能與裝配精度。激光電弧復合焊通過電弧與激光熱源的耦合作用產(chǎn)生高密度的能量束,可以獲得高深寬比的焊縫,減小熱影響區(qū)寬度和焊后變形量,顯著提高生產(chǎn)效率。國內(nèi)目前尚未將激光電弧復合焊技術(shù)正式應用于海洋與船舶工程建造中,隨著我國高端激光焊接裝備研發(fā)及集成能力的發(fā)展,激光電弧復合焊接技術(shù)裝備在該領域的應用是一種必然趨勢[3]。目前,關(guān)于特定工況下激光-電弧復合焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的基礎試驗研究已經(jīng)取得一定進展,但激光-電弧復合焊焊接工藝參數(shù)繁雜,各參數(shù)之間的相互影響機制尚不明晰,激光-電弧復合焊的理論研究和數(shù)值模擬工作缺乏深入研究[4]。
文中針對中厚板A36低合金高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼,采用試驗研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式,研究了激光功率、焊接電流等對焊縫成形與質(zhì)量的影響。基于有限元軟件研究了激光電弧復合焊的溫度場-應力場分布特征。
1 激光電弧復合焊試驗
1.1 試驗設備及材料
試驗采用10 mm厚AH36鋼,焊絲為直徑1.2 mm的 ER70S-G低合金鋼焊絲,化學成分如表1所示。AH36的載荷-行程曲線及金相顯微組織分別如圖1、圖2所示。
焊接試件尺寸為300 mm×300 mm×10 mm,采用YLS-10000型光纖激光器、電弧焊設備為福尼斯MAG(metal active-gaswelding)機器人。焊接工藝參數(shù)如表2所示。
1.2 金相及力學性能試驗
對焊縫進行切割處理,加工成金相試樣,采用徠卡DM2500M金相顯微鏡觀察焊接接頭各個區(qū)域顯微組織。參考標準DNV-OS-C401《海洋工程結(jié)構(gòu)制造與測試》進行硬度試驗,打點示意如圖3所示,用HVS-50數(shù)顯維氏硬度計對焊縫、熱影響區(qū)及母材進行宏觀硬度試驗,設置試驗參數(shù)為:載荷10 kg,加載時間15 s。參考標準DNV-OS-C401《海洋工程結(jié)構(gòu)制造與測試》進行沖擊試驗,沖擊試驗溫度為0 ℃,沖擊位置為焊縫及熔合區(qū)。
2 激光電弧復合焊的數(shù)值仿真方法
2.1 激光復合焊接熱源模型
熱源模型是數(shù)值模擬的基礎,選取正確的熱源模型對實驗結(jié)果的正確性相當重要。文中采用的熱源模型為雙橢球-峰值能量遞增錐形熱源模型[5]。將電弧熱輸入與熔滴熱焓合并考慮,并采用雙橢球體熱源表征,其熱流密度分布函數(shù)如下:
式中 η為熱效率;I為焊接電流;U為電弧電壓;qf、qr分別為熱源前、后部分的熱流密度分布函數(shù),af、ar、bh、ch分別為雙橢球體熱源的分布函數(shù)。
采用熱流峰值指數(shù)遞增-錐體熱源模型表征激光能量,其熱流密度函數(shù)如式(3)、式(4)所示:
式中 r0(z)為z 坐標處熱源半徑;ze和zi分別為熱源上、下表面z坐標;re和ri分別為熱源上、下表面半徑;Ql為激光有效熱輸入;χ為熱源上下表面熱流峰值比例系數(shù);Q0為計算常數(shù)。
2.2 激光復合焊接有限元網(wǎng)格模型
焊縫及熱影響區(qū)附近,溫度梯度較大,溫度場變化劇烈,因此該區(qū)域網(wǎng)格劃分得比較密集;遠離焊縫區(qū)域,溫度梯度變化較小,網(wǎng)格劃分較為稀疏,在保證了數(shù)值模擬精度的同時大大節(jié)約了計算時間,網(wǎng)格模型如圖4所示。
2.3 熱傳導方程及邊界條件
在焊接溫度場計算中,僅考慮固體熱傳導過程,忽略熔池內(nèi)流體流動。瞬態(tài)熱傳導方程如下:
式中 ρ為密度(單位:g/cm3);c為熱容量(單位:J/g·℃);λ為熱傳導率(單位:W/cm·℃);T為溫度分布的函數(shù);Q為相變潛熱(單位:J);t為時間(單位:s)。
數(shù)值仿真過程的約束邊界條件如圖5所示。
3 試驗結(jié)果
3.1 激光功率對宏觀焊縫成型的影響
激光功率為5.0 kW(編號2)、5.8 kW(編號3)時激光電弧復合焊焊接接頭的正面、背面宏觀表面形貌如圖6所示。從焊接接頭正面形貌可以明顯看出正面沒有咬邊缺陷,飛濺較少,但隨激光功率的增大,正面余高越來越小,到5.8 kW時,正面余高甚至不足。這是由于激光功率的增加使焊縫的熔深越來越大,而此時焊接速度過大,導致填絲速度跟不上焊接速度,使得正面熔融金屬向下塌陷所致。觀察焊縫背面形貌可以看出,激光功率為5.0 kW時焊縫并沒有焊透,而激光功率為5.8 kW時,焊縫發(fā)生全熔透,甚至有焊瘤的跡象,說明最佳的激光功率在5.0~5.8 kW之間。
激光功率為5.0 kW(編號2)、5.8 kW(編號3)時激光電弧復合焊焊接接頭的截面形貌如圖7所示,圖中虛線以上區(qū)域為電弧區(qū),虛線以下區(qū)域為激光區(qū)。當激光功率為5.0 kW時,焊接未完全焊透,焊縫形貌呈現(xiàn)“ 丁字形 ”,當增大激光功率至5.8 kW后,焊件被完全焊透,焊縫形貌呈現(xiàn)“ 酒杯狀 ”。這表明激光功率可以顯著地改變焊接熔深,同時其對焊縫形貌也有一定的影響。
3.2 焊接電流對宏觀焊縫成型的影響
焊接電流對宏觀形貌的影響如圖8所示,從正面宏觀形貌可以看出,220 A(編號1)和300 A(編號4)的焊縫均成形良好。從背面宏觀形貌可以看出,當焊接電流為220 A時背面成形良好,當焊接電流增大至300 A后,焊件背面出現(xiàn)較多的焊瘤,背面成形的均勻性較差。
不同焊接電流下的截面形貌如圖9所示,當焊接電流為220 A時,焊縫呈現(xiàn)顯著的“ 酒杯狀 ”。焊接電流增大至300 A后焊縫寬度顯著增大,激光區(qū)和電弧區(qū)的比例發(fā)生了一定改變。焊接電流對熔深的影響小于激光功率對熔深的影響,焊接電流對焊縫熔寬及形貌的影響較大。
3.3 激光復合焊接頭焊接組織特點
圖10、圖11為表2編號1焊接工藝參數(shù)下的顯微組織??傮w而言,焊縫區(qū)顯微組織由均勻分布的細小針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成。而對比激光區(qū)和電弧區(qū)顯微組織發(fā)現(xiàn),電弧區(qū)針狀鐵素體分布更為均勻,這是因為電弧區(qū)的熱輸入較大,冷卻較慢,使得凝固生成的針狀鐵素體和粒狀貝氏體分布更加均勻,反之激光區(qū)的冷卻速度較大,組織來不及分布均勻就凝固了。雖然激光區(qū)和電弧區(qū)顯微組織較為類似,但激光區(qū)粒狀貝氏體更少,且生成了更多較為細小的針狀鐵素體組織。這是因為激光區(qū)的熱輸入較小,導致冷卻速度較快,從而生成了少量板條貝氏體。
焊接接頭粗晶區(qū)顯微組織如圖11所示,結(jié)合AH36鋼CCT曲線[6],總體而言焊接接頭粗晶區(qū)顯微組織主要由粒狀貝氏體、鐵素體和馬氏體組成。而對比電弧區(qū)和激光區(qū)組織發(fā)現(xiàn),電弧區(qū)組織較為粗大,這也是因為電弧區(qū)的高溫持續(xù)時間較長,奧氏體晶粒長大所致。另外,激光區(qū)的馬氏體和板條貝氏體較多,粒狀貝氏體含量較少。這是因為激光區(qū)冷卻速度比電弧區(qū)更大,所以生成了更多板條貝氏體和馬氏體,這同時也代表粗晶區(qū)韌性不如焊縫區(qū)。粗晶區(qū)處金屬雖未熔化,但處于過熱狀態(tài)。此時由于溫度較高導致奧氏體晶粒急劇長大,凝固冷卻后就得到了粗大的組織。
3.4 激光復合焊接頭的硬度及韌性特點
不同激光功率下的焊縫硬度分布由圖12可知,激光功率的變化對電弧區(qū)硬度影響不大,但對激光區(qū)有一定影響,焊縫硬度隨激光功率的增大而增加。但激光功率增加使得HAZ硬度降低,特別當焊縫熔透后,硬度下降得很快。
不同焊接電流下的焊縫硬度分布如圖13所示,可以看出,焊接電流的變化對電弧區(qū)和激光區(qū)硬度均有影響,但對電弧區(qū)影響更大。焊接電流的增大會增大熱輸入,使得焊接接頭冷卻速度降低,鐵素體組織增加,從而導致硬度降低。
不同焊接工藝參數(shù)下的焊接接頭沖擊功如表3所示。根據(jù)DNV-OS-C401標準,A36鋼的縱向沖擊功應高于34 J,由表3可知,焊縫區(qū)最小的沖擊功為86 J,遠高于要求值,熔合線的沖擊功最低為52 J,高于A36鋼的沖擊功。盡管熔合線的沖擊功較焊縫小很多,是較為薄弱的環(huán)節(jié),但是其也高于標準。由此可見,文中試驗的焊接方法適用于船用鋼AH36鋼的焊接。
4 數(shù)值仿真結(jié)果
以表2中編號1的焊接工藝參數(shù)為例,進行了激光電弧復合焊的溫度場數(shù)值模擬。將復合焊接頭沿著焊接方向(見圖14a)切開,可以觀察到其焊縫縱截面處的熔池輪廓,如圖14b所示。焊縫上部呈典型的電弧焊熔池形貌,熔長尺寸大于激光區(qū),焊縫根部由于熔化金屬滲透的影響其熔長大于焊縫中部。根據(jù)其熱循環(huán)曲線可以發(fā)現(xiàn),激光復合焊熱影響區(qū)的t8/5一般在4~7 s之間。
文中針對6 m×6 m×6 mm 的大幅面板焊接變形情況進行了模擬,如圖15所示,分別對距焊縫中心100 mm、300 mm 的位置進行約束,并同時將焊件的兩端進行約束,焊后最大變形量分別為1.5 mm和2.0 mm。數(shù)值模擬表明,在進行實際焊接時約束位置越靠近焊縫中心,焊后變形量越小。
5 結(jié)論
(1)激光功率可以顯著的改變焊接熔深,同時其對焊縫形貌也有一定的影響。
(2)焊接電流對熔深的影響小于激光功率對熔深的影響,焊接電流對焊縫熔寬及形貌影響較大。
(3)激光復合焊焊縫區(qū)主要為均勻分布的針狀鐵素體和粒狀貝氏體。粗晶區(qū)組織主要為粒狀貝氏體、鐵素體和馬氏體。
(4)激光功率的變化對電弧區(qū)硬度影響不大,但對激光區(qū)有一定影響,焊縫硬度隨激光功率的增大而增加。焊接電流的增大會增大熱輸入,總體上使得焊縫區(qū)和熱影響區(qū)硬度降低。
(5)約束位置對焊接變形有種影響,約束位置距離焊縫中心越近,焊后變形量越小。
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