预热对集装箱用异种铝合金管-板焊残余应力的影响①

王新宇， 章陈浩， 王孟君

（中南大学 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，湖南 长沙 410083）

铝合金因具有比强度高、耐蚀性好、焊接性良好等优点，被广泛应用于建筑工业、交通运输、航空航天等领域［1－2］，目前已成为集装箱制造业实现轻量化的首选材料。 在应用铝合金制造集装箱过程中，焊接点较多，由于铝合金具有较大的热膨胀系数及热导率，焊接中急剧的温度变化将使焊件发生不均匀弹塑性变形，产生较大的内应力、变形和裂纹倾向［3］，严重影响集装箱的连接质量，降低装配精度［4］。 为了降低残余应力的影响，国内外已有多位学者借助有限元模拟从焊接速度、电弧电流、焊接顺序等方面对铝合金焊后残余应力进行分析，预测焊接变形情况［5－8］。 有研究发现，焊前预热能够降低焊接接头的冷却速度，减少焊缝附近的残余应力，从而起到改善热影响区的组织，减少焊接裂纹缺陷的作用［9］。 Mohamad 等人［10］研究了6061铝合金和304 不锈钢的熔化极惰性气体保护（MIG）对接焊工艺，并进行了不同温度的预热处理，获得了最佳预热温度及工艺方案；梁岩等人［11］模拟了6061-T6 薄板的MIG 对接焊，发现焊前预热并降低热输入能明显减小板对接焊缝的纵向残余应力。

本文针对铝制集装箱角件用A356 铝合金与角柱用6061 铝合金的MIG 对接焊，采用ABAQUS 有限元软件对焊接温度场、残余应力及焊接变形值进行模拟分析，通过实验验证焊接模型的合理性，探讨焊前预热焊接工艺对焊后残余应力影响。

1 焊接与实验

采用脉冲MIG 对接焊对6061-T6 铝合金挤压管材及A356-T6 铝合金板材进行焊接，底板及铝管尺寸分别为180 mm×180 mm×6 mm 和150 mm×61 mm×3.5 mm，选用直径1.2 mm 的ER5356 焊丝。 图1 为焊接示意图，焊接实物如图2 所示。 设置6 组焊接方案，工艺参数如表1 所示，1＃工艺为室温焊接。 焊前对待焊区域进行打磨及油污清洗，去除氧化层和杂质。 焊接设备选用OTC 机器人及DP400 焊接电源，保护气体为99.999%氩气，气体流量20 L/min，脉冲频率设为2 Hz。

图1 管-板焊示意图

图2 管-板焊实物图

表1 焊接工艺参数

焊后切取焊缝试样，使用5%NaOH 溶液浸蚀截面，进行宏观观察。 并采用Proto－iXRD 残余应力测试仪测量焊后A356 底板上的残余应力，为便于测量，在图1 中P 点所在圆周上顺时针选取6个测量点，将其与有限元模拟结果进行对比。

2 有限元模型的建立

2.1 有限元模型

图3 为使用ABAQUS 有限元软件建立的管-板焊有限元模型。 焊件不同区域温度及应力应变存在梯度变化，为兼顾计算精度和效率，靠近焊缝处单元网格较为精细，外围区域单元网格较为稀疏，最小单元尺寸为1 mm，单元类型设置为C3D8RT。 该模型共有43 370个网格单元及60 792个节点。 计算过程选择完全耦合热应力分析，即考虑应力场与温度的相互影响。 焊接模拟分为2个分析步进行，第1个分析步为焊接热源的加载过程，根据焊缝长度和焊接速度设定时长28.5 s，第2个分析步为3 000 s 的焊后冷却过程。

图3 有限元网格模型

2.2 热源模型

热源采用热量集中的双椭球模型，前后半球热输入函数q（x，y，z）如方程式（1）～（2）所示，并借助沿焊接方向变换的坐标系对直线型热源加以改进，如方程式（3）所示。 热源及其移动通过Fortran 语言编写dflux热源子程序实现。

式中Q为热输入量，W；cf和cb分别为前后椭球x方向半轴长度，a、b分别为y、z方向半轴长度，经模型调试，取a＝3 mm，b＝5 mm，cf＝2.6 mm，cb＝6 mm；前后半球能量分配系数ff、fb分别为0.6、1.4；x0、y0、z0为热源中心坐标；x1、y1为空间坐标点x、y在旋转θ角的柱坐标系下的新坐标。

2.3 参数设定

因材料物理性能均为温度的函数，为保证模拟精度，设置为动态热参数，本实验使用的6061-T6、A356-T6铝合金的各项性能参数见文献［12－14］，部分数据通过线性插值方式确定。

在温度场计算中，由于底板中部悬空，仅边部少量区域与夹具相互接触，只设定焊件自身的热辐射及其与空气的热对流交换，热辐射过程遵循Stefan-Boltzmann定律，热辐射系数为0.03，热对流交换遵守牛顿定律，对流换热系数为30 W/（m2·℃）。 力学边界条件设置如图1 所示，相应位置仅添加位移约束，以避免模型在计算过程中发生刚性偏转。

3 结果与讨论

3.1 热源模型校核

在进行热-力耦合有限元焊接模拟时，只有准确的温度场计算结果才能为残余应力场和应变场的精确模拟提供保证。 将1＃有限元模拟与焊接实验的焊缝截面进行对比（见图4），可看出模拟的熔池截面（即温度达到熔点的灰色区域）与接头熔合区基本一致，表明双椭球热源模型及边界参数设置在异种铝合金管板焊模拟中的合理性。

图4 焊缝模拟截面与实验对比

3.2 焊接温度场分析

如图1 所示，在A356 铝合金底板上表面及6061铝管外壁分别取距焊缝5 mm 的A、B 两点，作两点的热循环曲线，见图5。 因为两点所处的板与管的散热环境不同，以及材料热导率和比热容不同，温度会有所差异，1＃～6＃方案A 点的峰值温度分别为449.4 ℃、507.3 ℃、559.5 ℃、446.9 ℃、474.8 ℃、490.2 ℃，B 点的峰值温度分别为513.0 ℃、572.2 ℃、622.5 ℃、499.1 ℃、501.9 ℃、504.7 ℃，两点温差分别为63.6 ℃、64.9 ℃、63.0 ℃、52.2 ℃、27.1 ℃、14.5 ℃。 相比于1＃方案，2＃、3＃方案温度曲线显著升高，表明焊件预热后，若不调整焊接热输入量，熔池温度将随之上升，可能导致焊接过热、熔池过大，影响焊件性能和质量，同时整体预热焊件不同区域的温差并未减小。 对比4＃～6＃方案，可见最高温度变化不大，预热并降低电流焊接使得焊件升温和降温曲线更为平缓，预热温度越高，金属温度变化越缓慢，A、B 两点峰值温度差从63.6 ℃降至14.5 ℃，表明焊件整体温度分布更均匀，有利于减小焊接热应力。

图5 热循环曲线对比

3.3 焊接残余应力分析

在焊件逐步冷却过程中，热应力不能及时释放而形成残余应力，并逐渐增大，直至完全冷却后达到峰值。 方案1＃、3＃、6＃的残余应力实测值与模拟结果如图6 所示。 由图6可知，0°方向等效残余应力较小，对向残余应力相对较大。 实验结果和模拟结果整体趋势吻合，虽存在一定偏差，主要是材料从炉中预热后取出存在温降，焊接时母材温度分布不均匀，加之测量残余应力的实验误差所致。 1＃、3＃、6＃模拟残余应力平均值分别为76.8 MPa、74.9 MPa、43.3 MPa，对应的实验平均值分别为69.9 MPa、70.3 MPa、40.4 MPa，模拟与实际结果的偏差均在较小范围内，可见残余应力模拟有较好的精确度。

图6 残余应力模拟与实验结果比较

图7 为1＃工艺的Mises 等效残余应力、径向、周向和轴向残余应力分布云图。 由图7可知，6061 管材上部远离焊缝，未受到热循环影响，残余应力极小。A356 铝合金底板的残余应力以管为中心呈环形梯度分布，高应力区域集中于焊缝附近，此处铝合金温度梯度大，焊缝受热膨胀及冷却过程均受到附近母材强烈的刚性约束，因而产生内应力。 焊缝及热影响区存在较大的径向拉应力，圆管内部的板材则受到径向压应力作用，外部区域残余应力数值不大，热源移动一周后会对起焊点附近有二次加热，从而降低该处的残余应力。 周向残余应力最大值显著高于径向应力，熔池冷却会产生沿焊接方向的强烈收缩，致使整条焊缝均受到拉应力作用，热影响区及以外部分则为压应力，A356 铝板边部在冷却中热应力得到释放，残余应力数值不大。 轴向残余应力基本存在于焊接起弧、收弧处极小区域。

图7 未预热焊接残余应力分布云图（MPa）

为研究预热温度及电流参数对A356 铝合金底板残余应力变化的影响规律，在底板中心X轴线上取点作残余应力曲线，如图8 所示。 径向残余应力以拉应力为主，仅在管内出现较低的残余压应力，离焊缝越远拉应力越小。周向应力在焊缝处达到峰值，接近于室温下母材的屈服强度，远离焊缝则拉应力迅速变化为热影响区的压应力。 综合来看，2＃、3＃方案中残余应力存在一定程度降低，温度越高，应力峰值越低。 6＃方案的残余应力降低非常明显。 表2 给出了管板焊件各方向残余应力最大值，6＃方案各向残余应力均最小，表明焊前预热并降低焊接电流有利于降低管-板焊受到的热应力，此方案径向残余拉应力及压应力的消除率分别为28.1%、12.0%，周向残余拉应力、压应力分别降低16.0%、40.8%，沿轴向的最大残余拉应力和压应力分别降低39.7%、28.0%。

图8 X 方向中心线残余应力曲线

表2 各方向峰值残余应力

3.4 焊件变形分析

表3 给出了有限元模拟各方案的最大变形量。 焊件变形主要表现为A356 铝合金底板的下凹及6061 铝管的下移和倾斜，因焊接中未对管进行约束，焊件最大位移出现于管的顶端。 从表3可看出，2＃和3＃方案变形量相比于未预热焊接的1＃方案更大，因为其焊接中焊件整体温度升高，热应力更大，发生了更大的塑性变形。 而焊前预热并降低热输入的4＃～6＃方案，焊缝区域与附近金属的相对温差减小，降低了焊件受到的热应力，弹塑性变形及焊后冷却收缩量也越小，焊件结构稳定性更好，6＃方案变形量降低率达到20.3%。

表3 各方案焊件最大变形量

4 结 论

1） 对异种铝合金A356-6061 进行MIG 管板焊，有限元模拟结果与焊接实验结果基本吻合，可借助数值模拟对异种铝合金管板焊残余应力进行预测。

2） 管板焊焊缝及热影响区主要存在残余拉应力，远离焊缝区域承受压应力，6061 铝管残余应力数值不大，A356 铝板上沿管周向残余应力高于径向残余应力。

3） 施加焊前预热一定程度上可降低径向应力和轴向残余应力，但对周向残余应力影响不大，且使焊件变形量增大。 6＃方案（预热温度150 ℃、焊接电流120 A）相对未预热焊接产品的残余应力最大降幅为40.8%，表明焊前预热并适当减小焊接电流能提高焊件初始温度，减缓焊件升温和冷却速率，有效降低管-板焊残余应力及变形程度。