高強鋼等離子弧焊接應力場模擬及焊接工藝參數研究

王磊，韓嘉偉，石強，馮爍，楊志鑫

（遼寧理工學院機電工程學院，遼寧錦州 121000）

隨著中國制造業的迅猛發展，利用等離子弧焊不但可以提高焊接速度，還提高了生產率。 尤其是在高精尖產業及智能制造領域中等離子弧焊展示出其優良特性。 在對合金材料進行焊接過程中，適合焊接材料的厚度5～8mm，焊接材料不開坡口，在規定焊接一次情況下高強鋼等離子弧焊可完成雙面焊，簡化了焊接程序，有效控制了生產成本。 所以我國相關從業人員已經開始研究更加高效焊接工藝，為特殊合金材料焊接提供技術支持[1]。對DP600G 鋼實施焊接時可通過優化焊接工藝參數及焊接機理達到焊接成型效果。 然而，多數焊接方法在焊接過程中存在缺陷，其中等離子弧焊因為在使用的時候，采用的是通電的方式進行焊接，面臨著電流過載的問題。 然而，其作業的效率又與電流息息相關，但是不能一味的追求速率，而放棄質量，因為速率過快會導致咬邊狀況，當然，操作不當等其他情況也會導致焊接位置出現溝槽或凹陷，發生咬邊狀況[2]。DP600G鋼進行點焊時，容易出現表面開裂現象，若焊接位置設計不當， 焊接質量無法得到保障， 一旦DP600G 鋼受到撞擊，應變能量耗散，等離子電弧焊期間DP600G 鋼微觀結構可不計化學成分對其影響作用，可不用測量焊接斷裂[3]。 而經過進一步研究發現焊接工藝參數會直接影響材料界面斷裂。 在焊接的時候除了咬邊狀況外，焊接處產生氣孔也是常見狀況， 這是因為準備工作未做到位，例如對汽車DP600 鋼進行焊接,焊前仔細清洗工具與焊接的物件，若未完成清洗步驟會造成氣孔狀況發生，這些問題制約著等離子弧焊接在制造業中的廣泛應用。 因此，避免此類狀況發生，需要進行工藝參數優化和應力場模擬[4]。

本文提出高強鋼等離子弧焊接應力場模擬及焊接工藝參數研究。 焊接材料主要服從Von-Mises 屈服準則， 使用熱彈塑性分析計算焊接應力以及變形， 充分考慮材料參數為非零值的狀態， 通過PRI 計算材料高溫熔化狀態下參數，獲取不同方向的應力分布情況。

1 高強鋼等離子弧焊接應力場模擬

焊接應力場數值模擬對高強鋼等離子弧焊工藝研究有重要意義，應力場模擬更利于確定高強鋼焊接時各結構的最佳設計、采用的工藝方法和焊接參數。 高強鋼等離子弧焊涵蓋了多個學科內容，即電弧物理、冶金、力學、傳熱的過程。 焊接現象包括焊接過程中的傳熱過程、高強鋼的熔化與凝固、焊接應力與變形、冷卻過程中的相變等等。 而要保證高強鋼等離子弧焊質量需要將以上影響因素進行有效控制。 若采用模擬技術重現這些現象，可為高強鋼等離子弧焊作業提供可靠的參考依據[5]。

在DP600 鋼焊接過程中，受到焊接熱源的影響，焊接構建局部加熱進入瞬態高溫狀態，產生不均勻的焊接溫度場，形成焊接過程中應力場的變化。

采用熱彈塑性分析方式，分析計算焊接應力以及變形。 假設焊接過程構建的應力場變化屈服服從Von-Mises 屈服準則，在塑性區內，焊接構件的行為變化服從流變法規律，在溫度不斷變化過程中，彈性以及塑性應變受到影響。 高強鋼等離子弧焊模擬焊接時以提升焊接材料的整體力學行為，將焊接材料的非線性、幾何線性等因素影響情況考慮進去，在移動熱源作用下更便于研究焊接時材料的瞬態溫度和熱應力場[6，7]。 材料焊接力學分析為焊接溫度場確定提供了保障，材料力學性能變化與溫度變化有直接關聯性，焊接材料溫度參數確定更利于非線性函數構成。 通過有線元法可以有效分析出焊接殘余應力，該方法主要結合了焊接材料的彈塑性分析理論，焊接過程中出現變形情況可從熱－結構耦合的數學角度模擬殘余應力，得到一個最優解，模擬DP600G 鋼焊接各個步驟，根據焊接時間變化，可快速得到時間積分解，使得高強鋼等離子焊接模擬過程更接近實際作業，圖1 給出了有限元法的基本流程。

圖1 基本流程圖

1.1 應力應變關系

高強鋼等離子弧焊應力變化處于彈性區域時，全應變增量dε 與彈性應變增量dεe以及溫度應變增量dεT呈現如式（1）關系分布：

彈性區域內應力應變的表征關系如式（2）所示：

式中，[D] 表示彈性或者塑性的變形矩陣形式，{C}表示彈性變化過程中溫度變化向量。

彈性區域內：

式中，{α}表示初始狀態下焊接材料的膨脹系數，T 表示焊接溫度變化，[D]e表示彈性矩陣，該矩陣受到焊接溫度的影響。

焊接過程中，焊接材料的屈服條件表征為：

式中， f 焊接過程中構件服從的屈服函數，f0表示在溫度T 狀態下，與塑性形變量εp有關的屈服函數，焊接過程中，通過塑性流動原則，應變增量{dεp}表征方式為：

式中，λ 表示硬化法則下，焊接材料塑性參數。

假設dσ0表示溫度變化導致的應力場變化增量：

式中，De 表示彈性矩陣。受到焊接溫度的影響，外加以及內部約束導致焊接構件變形受限，產生內應力。

1.2 焊接工藝參數

焊接參數是指焊接時為了保證焊接質量而選定的物理量、化學成分、力學性能，焊接工作條件如載荷、溫度、電流等。 在等離子焊接過程中，焊接構件受到局部加熱呈現高溫熔化狀態，焊槍噴嘴有大量的熱量，很快侵蝕噴嘴。 一旦孔口伸長或變形，焊接過程失去穩定性、一致性和控制。DP600 鋼焊接數值模擬過程中， 需要充分考慮材料參數為非零值的狀態，參數選取過大過小均會導致模擬過程收斂困難或者失真，焊接應力場數值模擬前，需要保證高溫環境下材料特征參數值選取范圍正確[8]。

高強鋼等離子弧焊初期，溫度場處于不穩定狀態，經過一段時間后，便可達到最佳狀態，形成穩定的溫度場。 由圖2 可以看出： 隨著溫度逐漸升高，材料接近熔化狀態，物理參數出現缺失。 假設材料高溫性能參數在應力場模擬計算過程中，針對未知溫度的材料， 依據插值法進行處理，參數性能參量如表1 所示。

圖2 泊松比與彈性模量變化曲線

表1 材料性能參量變化

使用高強鋼等離子弧焊時，材料內部三維熱傳導研究可以依據能量守恒定律和導熱定律，若焊接材料內部結構均勻，材料焊接熔化與溫度變化沒有實際關聯性時，根據能量守恒定律，構建起焊接時間與焊接材料溫度變化方程式，坐標表示如公式（8）所示，焊接材料導熱規律如下：

關于高強鋼等離子弧焊過程出現熱傳導問題，最終解決方案是要得到導熱積分解，運用方程計算方法得到最優解，高強鋼等離子焊接前設定好邊界約束條件和初始條件。 如焊接過程中材料表面溫度分布情況，離子氣入口邊界處速度分布等邊界條件，驗證過程中可將所設定的邊界條件進行模擬驗證，所得結果是否會對焊接質量造成影響， 初始條件是指焊件開始導熱的瞬間(t=0s) 溫度的分布， 可以根據實際焊接條件進行設置，例如設置為環境溫度或者焊件預熱溫度。 為了簡化，通常認為焊前焊件的溫度均勻，即可設置為某一特定的溫度值[9]。

高強鋼等離子弧焊的焊接質量控制可以用邊界條件進行約束，評估焊接材料進行加熱后與周圍介質熱交換狀況，焊接完成后判斷焊接形態，更利于邊界條件劃定。 邊界條件設置方式有多種，最常用的設定方式大致分為三種，即：待焊接材料進行焊接時換熱系數確定； 焊接材料表面溫度確定；焊接材料進行加熱后熱流密度值確定[10]。

簡言之，焊接溫度場的計算基本就是在確定的初始條件和邊界條件下，對焊件內的各個微元進行導熱微分方程的求解。

2 實驗研究

明確殘余應力測定點位置， 編號不同位置，打磨應變片粘貼位置，保持充分干燥環境，焊接材料外觀檢查裝置采用BX120-2CA 型三軸電阻設備，在粘貼應變片后，在室溫環境下放置12h，之后開始進行鉆孔實驗， 通過ZSY-16B3 型應變儀讀取并記錄焊接DP600 鋼的應變變化。

其中，不同方向應力關系為：橫向，X 軸，與焊接縫隙垂直，σx；縱向，Y 軸，與焊接縫隙平行，σy；厚度殘余，Z 軸，厚度方向，σz。 依據ANSYS 坐標關系，不同方向應力表征方式已描述。 假設焊接應力模擬持續時間為3245s， 在正常室溫環境下進行冷卻，在不同方向下，參與應力分布路徑圖如圖3 所示。

由圖3 可以看出：與橫向殘余應力相比，縱向殘余應力變化較為明顯， 呈現明顯上升趨勢。 1）在Z 軸方向，縱向殘余應力主要表現形式為拉應力，在焊縫方向上呈現對稱分布狀態。 在起始點焊縫出現端，拉應力值為30MPa，拉應力上升速率變化隨著距離變化逐漸降低， 在中間位置處，上升至應力峰值，達到405MPa，高于焊接材料屈服極限值。 拉應力達到峰值狀態后，隨距離增加呈現緩慢下降趨勢，最小值為90MPa。 2）在X 軸方向，橫向殘余應力包括拉應力以及壓應力兩種模式，焊縫兩端位置表現為壓應力，焊縫起點位置壓應力值最大， 焊縫中間范圍內表現為拉應力，均值維持在11MPa 左右，隨著距離增加，橫向殘余應力的變現形式為壓應力，在降低至0 時轉變為拉應力，拉應力峰值達到140MPa，在到達焊縫末端之前拉應力逐漸減小，在焊縫尾端表現為壓應力，持續減小至150MPa。 3）在Y 軸方向，厚度殘余應力值較為穩定，始終保持在0 左右。

圖3 上表面焊接區域應力路徑曲線圖

3 結論

本文依據焊接材料屈服服從Von-Mises 屈服準則，采用熱彈塑性分析方式，分析計算焊接應力以及變形， 充分考慮材料參數為非零值的狀態，通過PRI 計算材料高溫熔化狀態下參數。 1）在Z 軸方向，縱向殘余應力主要表現形式為拉應力，在焊縫方向上呈現對稱分布狀態。 2）在X 軸方向，隨著距離增加，橫向殘余應力的表現形式為壓應力，在降低至0 時轉變為拉應力，在到達焊縫末端之前拉應力逐漸減小。 3）在Y 軸方向，厚度殘余應力值較為穩定，始終保持在0 左右。