Numerical simulation and test for influence of laser arc hybrid welding sequence on 304 stainless steel T-joint
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摘要: 建立304不锈钢T形接头三维有限元模型，研究激光电弧复合焊接顺序对304不锈钢T形接头热变形及残余应力的影响. 采用高斯面热源加高斯锥形体热源组合的热源模型，模拟激光电弧复合热源，并通过304不锈钢激光电弧复合堆焊工艺试验验证数值模拟激光电弧复合焊接过程的可靠性. 结果表明，焊缝截面熔池形貌的数值仿真结果与焊接工艺试验结果吻合较好，该热源模型能有效模拟激光电弧两种热源的复合作用. 确定多种焊接顺序方案，分析不同焊接顺序下T形接头温度场、残余应力和热变形情况，激光电弧复合焊接顺序对T形接头残余应力及热变形均有影响，通过对比不同顺序下残余应力值及热变形量发现，顺序焊接能有效减小焊接残余应力，同时反向焊接产生的热变形量最小. 综合分析，不锈钢T形接头顺序反向焊接的效果最佳.
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关键词:
- 激光电弧复合焊接 /
- 304不锈钢T形接头 /
- 焊接顺序 /
- 数值模拟
Abstract: The three-dimensional finite element model of 304 stainless steel T-joint was established to study the influence of welding sequence on thermal deformation and residual stress of T-joint during laser-arc hybrid welding. A composite heat source model combining Gaussian surface heat source and 3D Gaussian body heat source was used to simulate the laser and arc hybrid heat sources. The reliability of numerical simulation was verified by laser-arc hybrid build up welding test of 304 stainless steel. Numerical simulation results of weld section pool morphology are in good agreement with the actual welding experimental results, which indicates that the established heat source model can effectively simulate the coupling effect of laser-arc hybrid heat sources. The temperature field, residual stress and thermal deformation of 304 stainless steel T-joint under different welding sequence were analyzed. Experimental results show that the welding sequence has influence on the residual stress and thermal deformation of T-joint in laser-arc hybrid welding. In comparison of the residual stress and thermal deformation under different welding sequences, it is found that the sequential welding can effectively reduce the welding residual stress, and the thermal deformation of simultaneous reverse welding is minimum. Comprehensive analysis shows that the effect of sequence reverse welding for 304 stainless steel T-joint is the best. -
0. 序言
焊件在焊接时处于不均匀温度场中，焊接变形和残余应力难以避免[1]，会严重影响接头的力学性能[2-3]. 针对多道焊缝的复杂结构，焊接顺序对残余应力及热变形的影响较大[4-5]. 焊接顺序对加筋板结构变形影响的研究较多[6-8]. 文献[9]基于非线性弹塑性有限元法对6061-T6铝合金汽车保险杠MIG焊接工艺进行数值模拟，制定4组不同焊接顺序方案，对比残余应力值，选出最优焊接顺序方案.
激光电弧复合焊接通过两种热源的耦合作用，发挥各自优点，可获得更好的焊接质量[10-11]. 目前复合焊接方面的研究多集中于复合热源模型的建立以及熔池内部流动、熔池和匙孔的形貌特征等[12-13]. 文献[14]对Q235钢多层激光MIG复合焊接进行数值模拟，研究功率分布对熔池温度场及熔池的几何形状的影响. 文献[15]提取熔池顶部和底部的瞬时物理现象，用来监测激光-MAG复合焊接过程的稳定性和焊缝成形. 关于激光电弧复合焊应力应变场的研究相对较少.
对304不锈钢激光电弧复合堆焊试验进行数值模拟，通过工艺试验验证数值模拟激光电弧复合焊接过程的可靠性. 然后建立T形接头有限元模型，确定4种焊接顺序方案，考虑材料的高温性能以及相变影响，分析计算焊接过程中温度场、应力应变场的变化情况. 研究焊接顺序在激光电弧复合焊接过程中对T形接头温度场与应力应变场的影响，为优化焊接顺序以减小T形接头焊接变形及残余应力提供理论和试验依据.
1. 试验方法
采用激光电弧复合焊接设备进行304不锈钢堆焊工艺试验，激光功率为1.4 kW，焊接电压为25 V，焊接电流为240 A，焊接速度为0.05 m/s，离焦量为 + 1 mm，光丝间距为2 mm，焊丝直径为1 mm，保护气体为2%的二氧化碳和98%的氩气，气体流量为30 L/min，施焊时激光在前，电弧在后.
T形接头激光电弧复合焊接数值模拟试验采用双道焊接方式，激光功率为1.4 kW，电弧电压为20 V，焊接电流为150 A，焊接速度为0.05 m/s，其它参数设置同堆焊工艺试验相同. 制定4种不同的焊接顺序方案，分析304不锈钢T形接头复合焊接过程的温度场、应力应变场情况，焊接顺序方案如图1所示. 图中数字1代表第一道焊接工序，数字2代表第二道焊接工序，箭头方向代表焊接方向. Case1为同时同向焊接，Case2为顺序同向焊接，Case3为同时反向焊接，Case4为顺序反向焊接.
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图 1 T形接头双道焊焊接顺序方案Figure 1. Double pass welding sequence scheme of T joint. (a) Csae 1; (b) Csae 2; (c) Csae 3; (d) Csae 42. 数值模拟
2.1 有限元模型建立
304不锈钢激光电弧复合堆焊试验采用尺寸为150 mm × 110 mm × 3 mm的平板，有限元模型及六面体网格划分如图2所示，为提高计算效率，采用过渡网格划分. 节点总数为60 614，单元总数为12 420.
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图 2 激光电弧复合堆焊有限元模型Figure 2. Finite element model of laser-arc hybrid overlaying welding不锈钢T形接头选用底板300 mm × 50 mm × 3 mm(L × W × D)、腹板300 mm × 20 mm × 3 mm (L × W × D)，有限元模型如图3所示，网格划分完成后节点总数为207 059，单元总数为45 875.
2.2 材料参数设定
试验母材选用304不锈钢，考虑到材料的高温性能，采用材料性能模拟软件JMatPro计算304不锈钢随温度变化的性能参数，热物理性能参数及热力学性能参数分别如图4和图5所示.
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图 5 304不锈钢热力学性能参数Figure 5. Thermodynamic performance parameters of 304 stainless steel2.3 热源模型建立及验证
2.3.1 热源模型的建立
热源模型的选取直接关系到温度场中热流分布情况及熔池形态，是焊接过程数值模拟的关键[16]. 针对激光电弧复合焊的热源机理复杂性，采用组合热源模型进行模拟，根据激光和电弧热源各自特点，选用高斯面热源模型模拟电弧热源，选用高斯锥形体热源模型模拟激光热源[17-19]. 面热源q1和体热源q2的热流密度数学表达式为
$$ {q_1} = \frac{{3{Q_1}}}{{{\text{π}} R_0^2}}\exp \left( { - \frac{{3\left( {{{\left( {x - vt} \right)}^2} + {y^2}} \right)}}{{R_0^2}}} \right) $$ (1) $$ {q_2} = \frac{{9{Q_2}{e^3}}}{{{\text{π}} H\left( {{{\rm{e}}^3} - 1} \right)\left( {r_{\rm{e}}^2 + {r_{\rm{e}}}{r_{\rm{i}}} + r_{\rm{i}}^2} \right)}}\exp \left( { - \frac{{3\left( {{{\left( {x - v\left( {t - \dfrac{l}{v}} \right)} \right)}^2} + {y^2}} \right)}}{{{{\left( {{r_{\rm{e}}} - \left( {{r_{\rm{e}}} - {r_{\rm{i}}}} \right)\dfrac{{{{\textit{z}}_{\rm{e}}} - {\textit{z}}}}{{{{\textit{z}}_{\rm{e}}} - {{\textit{z}}_i}}}} \right)}^2}}}} \right) $$ (2) 式中：Q1为电弧功率；R0为电弧热源的有效半径，取R0为2 mm；v为焊接速度；Q2为激光功率；H为高斯锥形体热源的高度； l为光丝间距；re和ri分别为上和下表面的有效热源半径，当离焦量为0时，激光光斑直径为0.4 mm，取re为0.5 mm，ri为0.3 mm；ze和zi分别为作用在上、下表面热源的z坐标位置.
2.3.2 热源模型的验证
304不锈钢板激光电弧复合堆焊试验焊接完成后，对焊缝区进行磨削、抛光、腐蚀，采用光学显微镜获取焊缝截面熔池形态，将模拟得到的熔池形态与试验结果进行对比，如图6所示. 图6中虚线代表试验熔池形貌轮廓，可以看出数值模拟结果与工艺试验结果吻合较好，证明了数值模拟激光电弧复合焊接的准确性.
2.4 边界条件
在温度场分析过程中，焊件散热方式为热辐射和热对流.对流定律和辐射定律分别为
$$ {q_{\rm{c}}} = {\alpha _{\rm{c}}}\left( {T - {T_0}} \right) $$ (7) $$ {q}_{{\rm{r}}}=\varepsilon ·{C}_{\text{0}}·\left(T-{T}_{0}\right) $$ (8) 式中：αc为对流换热系数，设为40 W/(m2·℃);T为焊件表面温度；T0 为环境温度，设为22 ℃； C0为辐射常数；ε为黑度系数，取值为0.8.
在结构场分析过程中，为防止模型在计算过程中发生刚性移动，在模型的3个顶点分别施加x，y，z方向的约束，如图2和图3所示，箭头集中的位置为顶点，箭头方向为约束方向.
3. 结果与讨论
3.1 温度场结果分析
图7为t = 6 s和t = 12 s两个时刻不同焊接顺序的T形接头温度分布云图，可以看出，随着焊接热源的移动，焊件表面的温度分布在不断变化. 温度高的区域温度梯度较小，温度低的区域温度梯度较大. Case1和Case3是两道焊缝同时焊接，在t = 6 s时，两侧均完成焊接；在t = 12 s时，经过6 s的冷却时间，焊件的温度冷却至250 ℃左右. Case2和Case4是两道焊缝顺序焊接，在t = 6 s时，第一道焊缝完成焊接，进入冷却阶段，第二道焊缝开始焊接；在t = 12 s时，第二道焊缝完成焊接，第一道焊缝冷却至200 ℃左右，由于第一道焊缝产生的热积累，第二道焊缝的最高温度均比第一道焊缝的高.
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图 7 不同时刻焊件的温度分布云图Figure 7. Temperature distribution of welding parts at different times. (a) t = 6 s; (b) t = 12 s为进一步研究T形接头激光电弧复合焊接温度场的情况，沿焊缝方向x=150 mm处的截面位置取6个节点，节点分布以及各节点在不同焊接顺序下的热循环曲线如图8所示. 点A和B为两道焊缝对称位置的节点，点C和D为热影响区中底板对称位置节点，点E和F为热影响区中腹板对称位置节点. Case1中，t = 3 s时热源移动到节点所在的截面处，节点温度达到峰值，焊缝处节点温度达到 1 818.4 ℃，随后进入冷却阶段. Case2中，靠近左侧焊缝的3个节点在t = 3 s时到达最高温度，靠近右侧焊缝的3个节点受到左侧焊缝的影响，温度小幅度上升；t = 3 s之后，左侧焊缝进入冷却阶段，温度快速下降；t = 9 s时靠近右侧焊缝的3个节点到达最高温度，受到热积累的作用，最高温度为1 929.2 ℃，比左侧焊缝节点温度高，此时左侧焊缝的3个节点同样受到右侧焊缝影响，温度出现小幅度回升. Case3是同时反向焊接，由于节点位于焊缝中心截面，左右两侧热源同时到达截面位置，因此在t = 3 s时到达最高节点温度，温度变化规律与Case1相同，Case3的最高温度略高于Case1的最高温度. Case4是反向顺序焊接，与Case2的热循环曲线规律相同，最高温度略高于Case2.
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图 8 不同焊接顺序下节点热循环曲线Figure 8. Thermal cycle curves of nodes in different welding sequences. (a) Csae 1; (b) Csae 2; (c) Csae 3; (d) Csae 43.2 残余应力结果分析
为研究不同焊接顺序对T形接头激光电弧复合焊接残余应力的影响，测量垂直焊缝中心线上的残余应力，不同顺序下的残余应力如图9所示. 从图9可以看出，焊缝处的纵向残余应力呈现拉应力，由于焊缝处的金属在冷却阶段凝固收缩时，焊缝处的金属与周围金属温差较大，受到周围金属的约束而产生较高的残余拉应力. Case1和Case3是同时焊接，最大残余拉应力较大. Case2和Case4是顺序焊接，在焊接第二道焊缝时，第一道焊缝开始冷却散热过程，因此第二道焊缝冷却时与周围金属的温差降低，产生的最大拉应力比同时焊接的拉应力小.
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图 9 不同焊接顺序下纵向残余应力值Figure 9. Longitudinal residual stress values in different welding sequences3.3 焊接变形结果分析
焊接变形对于结构件的装配、使用寿命等方面有很大的影响. 图10为不同焊接顺序下的有限元变形云图，可以看出，最大变形量均发生在腹板末端处，焊接顺序对于变形分布的影响较大. Case1的最大变形量为0.868 mm；Case2的最大变形量为1.269 mm；Case3的最大变形量为0.824 mm；Case4的最大变形量为1.032 mm.
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图 10 不同焊接顺序下热变形分布云图Figure 10. Cloud image of thermal deformation distribution in different welding sequences为进一步分析不同焊接顺序对焊接变形量的具体影响，测量不同顺序下路径1的变形量，如图11所示. 从图中可以看出，Case1两侧变形量相等，变形量较大，沿腹板对称分布. Case2与Case4为顺序焊接，第一道焊缝冷却时产生的拉应力一定程度上减小了第二道焊缝加热时产生的压应力，使第二道焊缝产生的变形比第一道焊缝产生的变形小. Case3为同时反向进行焊接，相当于在加热时产生了方向相反的压应力，彼此有一定程度上的抵消，因此产生的焊接变形最小.
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图 11 不同焊接顺序下路径1的z方向变形量Figure 11. Deformation in the z direction of path 1 in different welding sequences4. 结论
(1) 建立激光电弧复合焊接有限元数值模型，分别对304不锈钢平板堆焊及T形接头焊接进行数值模拟，并通过堆焊工艺试验验证，试验得到的熔池形貌与数值计算结果吻合较好，表明数值模拟激光电弧复合焊接过程的可靠性.
(2) 对不锈钢T形接头激光电弧复合焊接温度场的分析，表明焊件的温度分布是一个瞬态变化的过程，温度随着焊接热源的移动不断变化，温度越高的区域，温度梯度越小. 双道焊接时，两道焊缝之间互相影响，温度越高，散热速度越快.
(3) 分析不锈钢T形接头激光电弧复合焊接的残余应力分布，可以看出纵向残余应力峰值集中在左右两侧焊缝处，呈现为拉应力，远离焊缝区域逐渐减小至压应力. 不同焊接顺序下的残余应力值表明两道焊缝先后顺序焊接对于减小焊接残余应力有较好的效果.
(4) 不同焊接顺序下，不锈钢T形接头激光电弧复合焊接结构场的数值模拟结果显示，最大焊接变形量主要发生在腹板末端，受边界约束最小的一侧. 焊接顺序对焊接变形分布影响较大，且同时反向焊接变形量最小为0.824 mm.
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图 1 T形接头双道焊焊接顺序方案
Figure 1. Double pass welding sequence scheme of T joint. (a) Csae 1; (b) Csae 2; (c) Csae 3; (d) Csae 4
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图 2 激光电弧复合堆焊有限元模型
Figure 2. Finite element model of laser-arc hybrid overlaying welding
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图 5 304不锈钢热力学性能参数
Figure 5. Thermodynamic performance parameters of 304 stainless steel
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图 7 不同时刻焊件的温度分布云图
Figure 7. Temperature distribution of welding parts at different times. (a) t = 6 s; (b) t = 12 s
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图 8 不同焊接顺序下节点热循环曲线
Figure 8. Thermal cycle curves of nodes in different welding sequences. (a) Csae 1; (b) Csae 2; (c) Csae 3; (d) Csae 4
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图 9 不同焊接顺序下纵向残余应力值
Figure 9. Longitudinal residual stress values in different welding sequences
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图 10 不同焊接顺序下热变形分布云图
Figure 10. Cloud image of thermal deformation distribution in different welding sequences
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