周勇，張成文，張國(guó)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(chǎng)的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

周勇1，張成文1，張國(guó)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(pán)錦 124120）

對(duì)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(yàn)，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(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)HG785D高強(qiáng)鋼激光-MIG復(fù)合焊接溫度場(chǎng)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(yàn)獲得的焊接接頭宏觀形貌及特征點(diǎn)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(chǎng)模擬。

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

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(diǎn)[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(duì)其進(jìn)行焊接，存在熔深淺、焊接變形大等問(wèn)題。當(dāng)采用單一激光焊接時(shí)，由于熔池橋搭能力差、焊縫組對(duì)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(wèn)題。其熱源通過(guò)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(diǎn)，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(yàn)進(jìn)行研究，成本高、效率低。近年來(lái)，焊接過(guò)程的有限元數(shù)值模擬越來(lái)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(duì)2219鋁合金（厚度為6 mm）的激光-MIG復(fù)合焊接溫度場(chǎng)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(yàn)結(jié)果基本相吻合。同樣，許新猴等[12]利用ANSYS有限元軟件對(duì)厚度均為5 mm的A514與D500異種鋼的激光-GMAW復(fù)合焊接過(guò)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(yàn)結(jié)果接近。目前，關(guān)于高強(qiáng)鋼激光-MIG復(fù)合焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的研究報(bào)道較少。

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

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)用高強(qiáng)鋼為HG785D，主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。對(duì)接試板單側(cè)的長(zhǎng)×寬×高為300 mm×150 mm× 12 mm，接頭形式為對(duì)接，開(kāi)設(shè)X型坡口，坡口角度為35°，鈍邊為2 mm，對(duì)口間隙為0.5 mm。焊絲型號(hào)為ER80-G，直徑為1.2 mm，其主要化學(xué)成分見(jiàn)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(zhǎng)為1070～1080 nm，焦點(diǎn)直徑為0.6 mm。

2 試驗(yàn)方案與有限元模型的建立

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)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(duì)試板兩端進(jìn)行焊接點(diǎn)固，然后水平固定于焊接工作臺(tái)上。同時(shí)，在試板表面設(shè)定和特征點(diǎn)（和特征點(diǎn)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(shí)采用熱電偶對(duì)特征點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖1所示。激光-MIG復(fù)合焊接試驗(yàn)采用激光在前、電弧在后的方式進(jìn)行焊接。在焊接過(guò)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(duì)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(diǎn)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(shí)際焊接試板建立，尺寸為300 mm×150 mm×12 mm，焊縫總長(zhǎng)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(gè)節(jié)點(diǎn)，45 124個(gè)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(chǎng)的最終模擬結(jié)果。在對(duì)復(fù)合焊接溫度場(chǎng)模擬時(shí)，需要確定以下熱物理性能參數(shù)（見(jiàn)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(shí)，其他熱物理性能參數(shù)采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度高于1100 ℃時(shí)，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(shí)際的熱輸入條件下，模擬的焊縫熔合線與實(shí)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(guò)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(lái)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(jì)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(shí)際情況，由于試板下面有墊板，試板與墊板之間會(huì)發(fā)生熱傳導(dǎo)，忽略墊板的溫度變化，對(duì)試板下表面施加與其他表面相同的自然對(duì)流系數(shù)和熱輻射系數(shù)。模擬中施加的自然對(duì)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(diǎn)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(jiàn)。正面焊接時(shí)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(duì)熔池的攪拌作用加劇，熔池的流動(dòng)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(shí)，通過(guò)熱電偶測(cè)溫法對(duì)和特征點(diǎn)的溫度變化規(guī)律進(jìn)行測(cè)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(diǎn)的溫度與周?chē)橘|(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(diǎn)處升至最高溫度（313 ℃）用時(shí)5 s，特征點(diǎn)處升至最高溫度（884 ℃）用時(shí)4 s，當(dāng)復(fù)合熱源離開(kāi)后，溫度迅速下降。

圖4 特征點(diǎn)熱循環(huán)曲線

3.2 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

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

圖5 試板正面溫度場(chǎng)分布云圖

3.3 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.3.1 模擬與試驗(yàn)的焊接接頭宏觀形貌對(duì)比

截取=10 s（焊接已經(jīng)穩(wěn)定）時(shí)的模擬焊縫橫截面溫度場(chǎng)云圖，與試驗(yàn)焊縫進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖6，可以發(fā)現(xiàn)模擬與試驗(yàn)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(shí)際尺寸：熔深為6.91 mm，熔寬為3.17 mm，模擬與試驗(yàn)獲得的焊縫熔深及熔寬誤差均小于4%。同時(shí)可以看出，在模擬過(guò)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(diǎn)，這有利于小孔的形成，并可實(shí)現(xiàn)大熔深焊接[19]。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，驗(yàn)證了該有限元模型的準(zhǔn)確性。

3.3.2 模擬與試驗(yàn)特征點(diǎn)溫度循環(huán)曲線對(duì)比

由圖7可以看出，模擬與試驗(yàn)得到的和特征點(diǎn)熱循環(huán)曲線的變化規(guī)律吻合，特征點(diǎn)處的模擬最高溫度和試驗(yàn)最高溫度分別為325，313 ℃，特征點(diǎn)處的模擬最高溫度和試驗(yàn)最高溫度分別為910，884 ℃，，特征點(diǎn)的模擬與試驗(yàn)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(chǎng)的數(shù)值模擬。這進(jìn)一步驗(yàn)證了該有限元模型的準(zhǔn)確性。

圖6 模擬與試驗(yàn)焊接接頭橫截面宏觀形貌對(duì)比

圖7 特征點(diǎn)熱循環(huán)曲線對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

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

1）對(duì)HG785D高強(qiáng)鋼進(jìn)行激光-MIG復(fù)合焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)激光功率為3～3.5 kW時(shí)，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(diǎn)熱循環(huán)曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

3）在復(fù)合焊接過(guò)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(diǎn)，這有利于小孔的形成，并可實(shí)現(xiàn)大熔深的焊接。

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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(guó)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(jí)優(yōu)勢(shì)學(xué)科資助項(xiàng)目（YS37020203）；西安石油大學(xué)研究生創(chuàng)新與實(shí)踐能力培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（YCS20212113）

周勇（1963—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)槭凸こ滩牧虾附优c表面工程技術(shù)。

王洪鐸（1976—），男，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧虾附蛹氨砻婀こ獭?/p>