奥氏体不锈钢薄板焊接纵向残余应力分布的数值分析.doc

奥氏体不锈钢焊接纵向残余应力分布的数值分析 代雪佳，凌泽民，刘明翔（重庆大学材料科学与工程学院，重庆市，400045）摘要：以实际产品LED集鱼灯基板与灯壳的搭接接头为例，根据实际情况建立热力学耦合的三维有限元模型，运用SYSWELD焊接专业软件，对316L奥氏体不锈钢薄板在不同的焊接工艺条件下纵向残余应力分布进行数值模拟与分析。主要研究了预热温度和焊接顺序对纵向残余应力分布的影响，并与实验结果进行对比，验证了模型的准确性。结果表明：随着预热温度的增加，纵向残余应力降低；采用合理的预热温度可以有效的降低316L奥氏体不锈钢纵向残余应力；焊接顺序对纵向残余应力的影响不大。关键词：预热；焊接顺序；316L奥氏体不锈钢；纵向残余应力；数值模拟中图分类号：TG457.14 文献标识码：A Abstract：Based on the overlap joint of actual product LED fish lamps base plate and lamp shell, three-dimensional thermal-mechanical finite element model was established, and welding software of SYSWELD was used to simulate and analyze the longitudinal residual stresses distribution of 316L austenitic stainless sheet under different welding conditions,mainly through changing the preheating temperature and welding sequence. The experiment was also carried out so as to check the model.The results showed that the longitudinal residual stresses decreases with the increase of preheating temperature. Appropriate preheating temperature can reduce the longitudinal residual stresses of 316L stainless steel effectively, and the longitudinal residual stress is not being improved significantly with welding sequence。Key words：preheating；welding sequence；316L austenitic stainless；longitudinal residual stresses；numerical simulation 由于LED集鱼灯消耗的能量除转换为光能外，几乎都是热能，而且只能以热传导的形式传出，且散热效果不良将导致LED光源的寿命和发光性能的衰减。设计时通过封装基板解决散热的问题，在散热基板上做贯通孔，使散热基板直接与海水接触，让海水在贯通孔内循环1，达到降温目的。基板为316L不锈钢与3003铝复合的材料，灯壳为316L奥氏体不锈钢，因为该种不锈钢具有较好的机械性能，并在海洋环境下保持较低的损耗率，是目前常用的结构材料2。316L奥氏体不锈钢由于导热性差和线膨胀系数大，在焊接局部加热和冷却的条件下，焊接接头在冷却过程中可形成较大的焊接残余应力。焊接残余应力是在没有外部因素作用时，焊件中存在的自平衡的力3。从根本上消除焊接残余应力又是不可能的。在不便于改换耐蚀材料时，只能力求从改进结构设计和加工方法着手，尽量降低焊接残余应力4。作者简介：代雪佳(1989-),女,河南永城人,硕士,主要从事金属材料焊接数值模拟研究;电话E-mail: 残余应力对疲劳循环和疲劳裂纹的扩展有一定影响5，拉伸残余应力不仅是导致焊接过程中冷裂纹产生的直接根源，而且也是使用过程中疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹的诱发因素6，严重影响产品的质量和使用性能。预热、焊后热处理，合适的焊接顺序等均可以减小残余应力。早期的研究已经发现预热能改善材料的焊接性能，是减小母材焊缝金属裂纹的有效途径之一。焊接残余应力的准确模拟可以对实际生产中工艺参数的选择和优化有直接的指导作用。在过去的20年里已经广泛开始运用有限元方法对焊接过程的温度场，应力，焊后变形进行模拟7-8。目前，采用数值模拟对奥氏体不锈钢焊接残余应力的分析，国内外学者已做过很多研究。O. Murnsky9等基于塑性理论的影响进行数值模拟预测奥氏体不锈钢焊接残余应力。邓德安，清岛祥一10研究了焊接顺序对奥氏体不锈钢厚板焊接残余应力分布的影响。但利用有限元分析预热温度和焊接顺序对316L不锈钢薄板纵向残余应力的研究还比较少。本文运用SYSWELD软件针对316L奥氏体不锈钢的焊接进行有限元分析。计算了不同预热温度和分中对称焊方法，焊后残余应力的变化。分析了预热，焊接顺序对残余应力的影响，采用盲孔法全自动应力应变仪对焊缝附近上表面的残余应力进行测量，应力测量过程包括：表面清理、贴应变片、仪器接线、清零、打孔和读数。验证了该模型的准确性，为实际产品的生产提供理论依据。1. 焊接过程的计算模型本文的计算模型是根据实际产品进行简化，焊缝为直焊缝。因为铝与不锈钢很难进行焊接，所以基板采用厚3mm的316L奥氏体不锈钢板包裹厚9mm的3003铝的复合板，并且不锈钢板外缘比铝板外缘高出2.5mm，灯壳材料为厚3. 2mm的316L奥氏体不锈钢，从而实现基板与灯壳是不锈钢与不锈钢的焊接，如图1所示。为节省计算时间，在不影响计算精度的条件下，整体上采用由密到疏的网格划分，即在温度梯度变化较大的焊缝及热影区采用网格加密处理，在离焊缝较远处和温度变化不明显的区域采用较稀疏的网格。为了实现焊缝区和远离焊缝区的网格过渡，过渡区采用自由网格划分。采用规则的六面体单元，本模型的节点数为28044，单元数为23940，设定力学边界条件用来防止模型发生刚体位移，如图2所示。 图1 灯壳焊接模型 图2. 3D有限元模型Fig.1 Welding model of the lamp body Fig.2 3-D finite element model2 热源模型本文焊接方法为熔化极钨极氩弧焊（MIG），选用TA-1400焊接机器人进行操作，采用的焊接填充材料为316L不锈钢焊丝，焊接速度为6mm/s，电压U=15.4V，电流I=60A。综合考虑选用Goldak提出的双椭球分布热源作为数值模拟的热源模型。实际上，电弧沿焊接方向运动时，由于焊接速度的影响，电弧前方的加热区域要比电弧后方的小，因此，电弧热流是不对称分布的；加热区域不是关于电弧中心线对称的单个半椭球体，而是双椭球体，并且电弧前、后的半椭球体形状也不同。作用于焊件上的体积热源分布为前、后两部分。前、后半椭球体内的热流分布为11： （1） （2） 式中：af、ar、b、c为双椭球热源分布参数，ff、fr分别为前、后半椭球体内能量分配系数，并且满足ff+fr=2。Q为热输入功率，Q=UI，为MIG焊的热效率，=0.75。经过对热源各参数的校核获得符合实际的双椭球热源，校核后的各参数为af =3mm，ar=4mm，b=10mm，c=6mm模型的所有表面都加上了对流换热边界条件，并设环境温度为20 。3 应力应变的关系在焊接过程中，总的应变增量为，是由工件各部分的弹性应变(E)、通常的塑性应变(P)、相变塑性引起的塑性应变(TP)、热应变(T)和相变应变(Trp)组成的12。因此，应力增量可用下式表示=E+P +TP +T +Trp （3） 对于各向同性材料，弹性模量取决于弹性模量和泊松比，而热应变取决于热膨胀系数。塑性准则是关于塑性流动开始和终止的三维应力状态。在塑性区，设材料的屈服条件为f()=f0(p,T) （4） 式中：f为屈服函数；f0为与温度和塑性应变有关的屈服应力的函数。根据塑性流动法则，塑性应变增量P可表示为P =(f/)，塑性区的加载或卸载由值判定：0时为加载过程；=0时为中性过程；0时为卸载过程13。4 数值模拟结果及分析4.1 预热温度对纵向残余应力分布的影响一般认为Cr是使奥氏体不锈钢耐腐蚀的基本合金元素，含Cr量超过12%左右就可以使钢具有优秀的耐腐蚀性能。当预热温度过高（约高于450）易沉淀析出含铬的碳化物，也就导致形成贫铬层，使钢的晶间腐蚀倾向增大。因此，本文选用的预热温度分别为150，300，450，分别对应Case2，Case3，Case4。Case1是在室温的状态下进行焊接，无预热，图3是t=6.8s时的直焊缝焊接温度场的分布云图。可知，焊缝中心线附近的温度梯度很高，熔池温度最高。随着移动热源的离开焊件逐渐冷却到室温。 图3 焊接温度场 图4 不同预热温度的纵向残余应力分布Fig.3 Temperature field of welding Fig.4 The longitudinal residual stress distribution of different preheating temperature在焊缝上表面X=36mm处取曲线L上不同节点的纵向残余应力，如图4所示。其中Case1，是没有考虑预热的情况焊后纵向残余应力的分布；Case2，Case3，Case4是考虑预热的情况焊后残余应力的分布，预热温度分别为150，300，450；实验值是没有预热的情况下纵向残余应力的分布。可以看出，纵向残余应力的计算结果无论是在数值上还是在分布上与实验结果都比较吻合，这说明文中建立的有限元数值模型在计算纵向余应力时有较高精度。 对比Case1，Case2，Case3，Case4知，纵向残余应力的分布趋势基本一致。焊缝与母材交界附近应力突变严重，并且在HAZ达到峰值，其中Case1，Case2的最大拉伸应力值都超过了316L奥氏体不锈钢室温下的屈服强度310MPa；纵向残余应力的最大拉应力值都随着预热温度的增加而减小，特别是在450（Case4）的预热温度下，纵向残余应力最小，峰值达到197.5MPa；在没有预热的情况下Case1，实验值纵向残余应力峰值分别为356.6MPa，360.3MPa。这是由于在焊前对焊件进行了整体预热，焊缝区虽然被加热到较高的温度，但工件整体温度与焊接过程中最高温度的差值较小，从而带来的热应力也较低。由图4知每种方案的最大拉伸应力都分布在靠近灯壳一侧的HAZ附近，而且靠近灯壳一侧的HAZ与板边之间存在一个较小的压应力过渡区，到达板边又呈现了较大的压应力，并且压应力随着预热温度的增加而减小。这是由于在焊接过程中对焊件进行局部加热，焊缝区被加热到很高的温度，离焊缝愈远，被加热的温度愈低。根据金属的热胀冷缩特性，焊件各部位因温度不同将产生大小不等的伸长。在焊接过程中焊缝区温度较高，膨胀受到周围金属的限制，产生压缩塑性变形。焊后冷却后，焊缝区金属收缩量大于两侧金属收缩量所以焊缝区受拉应力，板边受压应力。焊缝两边的应力分布并不对称，这是因为基板一侧是铝合金与不锈钢的复合材料，铝合金的导热系数远大于不锈钢的导热系数，散热快，热胀冷缩的趋势小，并且基板可以自由收缩，因此基板的板边应力趋近零。4.2焊接顺序与预热对纵向残余应力分布的比较合理选择焊接顺序能大大减小变形，同时对焊件残余应力有一定的影响，本文采用分中对称焊，即从板中间沿焊接线方向分别同时往两端焊，如图5所示，图5中的箭头表示焊接方向。 图5 焊接方向示意图 图6 不同焊接工艺的纵向残余应分布Fig.5 Schematic view of the welding direction Fig.6 The longitudinal residual stress distribution of different welding procedure图6为不同焊接工艺纵向残余应力的分布，其中CaseA是在室温下沿焊缝方向直接焊接，即图5中的（a），CaseB是预热300后沿焊缝方向焊接，CaseC是在室温下从焊缝中心处分别往板两端焊，即图5中的（b）。对比CaseA，CaseB，CaseC知，在焊缝和靠近基板一侧的应力分布趋势基本一致；而靠近灯壳一端的板边缘采用分中对称焊时，应力值几乎趋近于零，直接焊接和预热时板边缘都存在一定的压应力。CaseC的应力峰值和CaseA的峰值差别很小，说明采用分中对称焊并不能有效的减小奥氏体不锈钢薄板的焊缝附近的纵向残余应力。相比之下，预热对纵向残余应力的减小有较大的影响。说明预热能较有效的减小纵向残余应力。主要是因为预热是使整个工件温度都提高，这样工件整体温度与焊接过程中最高温度的差值就较小，从而带来的热应力也较小，从而对残余应力的减小起到有益的作用。5 结论(1) 运用SYSWELD有限元软件模拟316L奥氏体不锈钢焊接温度场和纵向残余应力，得出纵向残余应力的分布，并与实验结果进行比较，模型准确性较好。可为后续的工艺改进提供一个有效的理论分析手段。(2) 对于316L奥氏体不锈钢选择合理的预热温度可以有效降低纵向残余应力。(3) 焊接顺序对316L奥氏体不锈钢焊缝周围纵向残余应力及最大拉伸应力影响不大。参考文献：1 上海嘉宝协力电子有限公司, 上海海洋大学. 发光二极管水下集鱼灯 P.中国专利: 200820156619. 1, 2009-09-16.2 罗永赞 海洋用高级不锈钢和金属合金J 舰船科学技术， 2002， 24 ( 6) : 64 663 E, A, Flores-Johnson, O, Murnsky, C, J, Hamelin, P, J, Bendeich, L, Edwards. 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