焊接工艺对不锈钢焊接变形的影响分析

吴飞虎，张鹏飞

（九江职业技术学院，江西 九江 332007）

焊接是使用加热或加压手段，可添加填充材料，将焊件相互连接的加工工艺。由于焊接方法具有经济、灵活，节约材料和提高生产效率等优点，因此，我国焊接技术在工业中应用广泛[1]。目前工业产品，如船舶、车辆、桥梁、锅炉等，以及各类工程和厂房建筑等的结构部件，都使用焊接工艺。不锈钢材料具有良好的耐腐蚀性能，同时兼顾焊件生产成本和使用寿命，在我国建设中十分重要。在不锈钢加工中，焊接是不可或缺的加工手段。但生产中，不锈钢焊接变形问题一直存在，焊接变形会造成焊接结构的外观尺寸偏差，对承载能力有较大影响，无法保证焊接结构的使用性，严重的会导致无法装配而报废，降低生产效率，增加零件材料成本，同时增加生产制造成本[2]。不锈钢零件市场巨大潜力与较高的生产成本，构成了极大矛盾，改善这一问题势在必行。因此如何降低不锈钢焊接变形，减少生产成本，提高效率，具有重要研究意义。因此，本文进行焊接工艺对不锈钢焊接变形的影响研究，为确定最佳焊接工艺法提供依据，有助于实现焊接变形控制。

1 实验方案

1.1 实验设备

选择WF300型Nd：YAG脉冲激光焊接机，技术参数见表1。

表1 激光焊接机技术参数

1.2 实验材料

实验焊接选择单道平板对接，实验选择厚度为1mm的304不锈钢板，用线切割机切割成长50mm、宽30mm的试样，焊接前，用砂纸打磨，除去氧化膜，用丙酮清洗干净。304不锈钢化学成分如表2所示。

表2 实验材料化学成分

1.3 选择实验参数

实验选择电流、脉冲宽度和激光频率作为参数，具体见表3。

表3 实验焊接参数

1.4 焊接变形测量装置

将万向节固定在可以左右移动的平台上，通过左右移动测量出不锈钢板纵向垂直高度变化，以垂直方向的偏移量作为衡量角变形的标准，这样就能够得到不锈钢焊接变形量。

2 有限元模拟焊接过程

2.1 基本方程

焊接是局部快速加热至高温，然后快速冷却的过程[3]。在此过程中，焊件温度不断变化，形成不均匀、不稳定的温度场。随着温度场变化，焊接材料的物理性能也产生变化。因此，焊接温度场的模拟，属于典型的非线性瞬态热传导问题。因此对焊接过程的有限元模拟，可以采用三维瞬态分析的方式。

三维热传导分析的温度场方程为：

导热时分三类边界条件：

第一类，已知温度值。

第二类，已知与周围介质热交换。

第三类，已知热流密度分布。

式中：qs为每单位面积输入热源；aT为表面换热系数；Ta为介质温度；Ts为边界温度；nx、ny、nz分别为边界外法线方向余弦。

采用有限元法求解时，通常是把求解微分方程，转化为求解函数极值。但是对于非线性问题，很难找到相应函数．此时可采用加权法，使微分方程的余量在加权下达到最小。

2.2 选择模型

焊接时，电弧热源通过加热斑点，将热能传递给焊件，其热量分布中心多、边缘少，因此热源的热流密度分布，可近似使用高斯函数表示。热流密度表示为：

式中：qm为最大热流密度；R为有效加热半径；r为至加热斑点距离。

㉔2016年，全国公安机关共破获电信网络诈骗案件11．9万余起，抓获犯罪嫌疑人8．8万余名。《公安部:2016年以来共破获电信网络诈骗案件11．9万余起 上半年电信诈骗案件发案数同比下降12．3%》，《中国防伪报道》2017年第10期。

加热斑点的最大热流密度为：

Q为焊接有效热功率。

2.3 模拟焊接温度场

利用ANSYS软件进行瞬态热分析，主要有三个步骤：

（1）前处理，包括建立模型、定义单元、材料属性材料、设置网格和生成有限元模型。

（2）施加载荷和求解，包括定义类型、初始条件、设定选项、边界条件和运算。

（3）后处理，有两种方式，通用方式可以查看某一时刻计算值，时间历程方式可以查看随时间变化的状态。

2.4 模拟焊接应力场

进行焊接应力场模拟，要重新进入前处理，把热单元转化为结构单元，定义弹性模量、热扩散率和泊松比等随温度变化的材料力学性能；接着读入热分析节点温度，设置构件加热初始均匀温度；最后进行求解和后处理。

通过ANSYS有限元分析，对焊接过程模拟，研究激光焊接变形。模拟结果表明激光焊接的瞬时温度场比较稳定，热源中心温度高，周围温度逐渐降低；应力场热源中心处产生压应力，远离中心出现拉应力，冷却后中心产生残余拉应力，远离中心产生残余压应力。

3 焊接参数对焊接变形的影响

对1mm厚度的304不锈钢板分别进行焊接电流、激光脉宽和频率的单因素控制实验，测量变形量，研究这三个参数对焊接变形的影响。

3.1 焊接电流的影响

对1mm厚度的304不锈钢板在脉宽10ms，频率3Hz条件下进行电流对焊接变形的影响实验。结果如图1所示，可以看出：焊接电流越大，变形越大。造成这种现象的原因是焊接电流与激光功率成正比，在其他条件不变的情况下，随着电流增大，激光功率也随之增大，不锈钢材料吸收热量增加，加快熔化成液态，随后冷却时会有更多液态物质凝固成固态焊缝，收缩量也变多，因此导致焊接变形增大。

图1 焊接电流对焊接变形的影响

3.2 激光脉宽的影响

对1mm厚度的304不锈钢板在电流160A，频率3Hz条件下进行脉宽对焊接变形的影响实验。结果如图2所示，可以看出：随脉宽增大，焊接变形先减小后增大，中间存在极小值。这是因为脉宽与激光功率成反比，在其他条件不变时，一方面，随脉宽增大，激光功率减小，不锈钢材料熔化体积缩减，因此变形量减小；另一方面，随脉宽增大，激光加热时间增加，不锈钢材料熔化体积增大，因此使变形量增大。所以在激光功率和加热时间共同作用下，随脉宽增大，焊接变形先减小后增大。因此，应选择极小值范围脉宽，来减少变形量。

图2 脉宽对焊接变形的影响

3.3 激光频率的影响

对1mm厚度的304不锈钢板在电流160A，脉宽10 ms条件下进行激光频率对焊接变形的影响实验。结果如图3所示，可以看出：随频率增大，焊接变形先减小后增大，中间存在极小值。激光频率影响相邻两点间距离，随频率增大，焊缝重叠率增大。频率较低时，焊缝间距大，随频率增加，焊缝重合率增大，因此变形随之减小；但频率过快时，出现灼烧现象，变形反而很大。因此，应选择极小值范围激光频率，来减少变形量。

图3 激光频率对焊接变形的影响

通过以上实验，分析得出在其他条件不变的情况下，随焊接电流增大，焊接变形增大；脉冲宽度和频率都存在一个最佳值使变形达到最小。

4 结束语

本文选择焊接电流、脉冲宽度和激光频率为研究参数，通过实验分析，验证不同参数对不锈钢焊接变形的影响。本文研究还存在一定不足，影响焊件变形的焊接工艺参数还有很多，本文只选取了其中三个进行研究，存在一定局限性，此外本文只采用激光方式进行焊接，还有其他焊接方式可供实验使用，后续应进行更加深入的研究，进一步优化工艺参数，以减小焊接变形，改善不锈钢焊接工艺。