卞海玲， 許 莎， 邢彥峰

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院， 上海 201620)

鋁鋼異種材料連接件具有高強度、耐腐蝕和質(zhì)量輕等優(yōu)點，在交通運輸?shù)阮I域有著廣闊的發(fā)展前景[1]。鋁鋼連接最為常用的方法是焊接，隨著溫度的變化、固液相之間的轉(zhuǎn)變以及熱應力的產(chǎn)生，會導致焊后材料的變形和承受靜載荷能力的下降[2]12。因此，有效預測焊接變形及合理地選取方法來分析、控制乃至消除焊接變形，成為提高焊接接頭承載能力和保持結(jié)構(gòu)外形不變的重點。

國內(nèi)外學者對金屬材料焊后變形進行了大量的探索分析。Gao等[3]比較了激光焊接(laser beam welding, LBM)和非熔化極惰性氣體鎢極保護焊(tungsten inert gas welding, TIG)焊接接頭的殘余變形、焊縫幾何形狀、組織和力學性能，得出脈沖激光焊接更適合鈦合金薄板的焊接。焊接次序?qū)附幼冃未嬖谥绊?，Tsai等[4]得出材料剛度由大到小的焊接次序?qū)ψ冃蔚臏p小有顯著效果。同樣外部條件的變化，如高低熱輸入量和有無約束亦能影響焊后連接件的變形，在Sirisatien等[5]的研究中得到驗證。此外，國內(nèi)外學者將試驗和有限元方法相互結(jié)合來探究影響焊件變形的原因。Derakhshan等[6]和黃本生等[7]均利用了SYSWELD有限元軟件，前者比較激光焊和傳統(tǒng)埋弧焊的焊接結(jié)果，得出使用激光焊可減少熱輸入和焊接變形；后者則分析Q345/316 L的2種牌號鋼熔接過程的瞬態(tài)溫度分布、焊后應力及變形。Fu等[8]基于順序耦合熱-力學仿真對不同材料模型下的T型接頭焊接所引起的殘余應力和變形進行了分析探索。焊件材料形狀和尺寸的變化是導致殘余應力和變形的要素。蔡建鵬等[9-10]以ABAQUS軟件為平臺研究不同坡口形式的異種鋼對接接頭性能；鄭喬等[11]研究不同熔敷順序和管壁厚度的異種鋼管-板焊接接頭。而Ordieres等[12]從另一個角度出發(fā)研究夾具設計對焊接變形的影響，并通過有限元分析對夾具設計進行了優(yōu)化。

根據(jù)國內(nèi)外研究，大多數(shù)學者以試驗輔以計算機模擬的手段來探究不同焊接技術、焊接次序、焊接熱輸入以及材料外形和尺寸等對焊接變形的影響。然而，對夾持點位置、搭接寬度與焊接變形之間的關系探索較少。課題組采用CMT(cold metal transfer)焊接技術對鋁鋼薄板進行點焊試驗，并運用有限元軟件對該試驗進行仿真，將試驗變形數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進行對比以驗證仿真的有效性。在此基礎上分別改變仿真模擬和試驗中的夾持點位置和搭接寬度，得出變形的變化規(guī)律。最后，采用響應面法建立相關的數(shù)學模型，找到夾持點位置和搭接寬度的合理范圍從而得到較小的焊件變形量。課題組主要研究夾持條件對鋁鋼薄板焊接變形的影響，目的在于獲得變形較小的焊接件，改善焊接質(zhì)量。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

本試驗所用材料為鋁合金和鍍鋅鋼板，材料的牌號和尺寸如表1所示。2塊試樣有50 mm的搭接重疊，在鋁板重疊位置中心處開有小孔，如圖1所示。

表1 試樣牌號及尺寸

1.2 焊接方法與變形測量

CMT是一種不產(chǎn)生濺渣的新型工藝技術，它通過數(shù)字化方式實現(xiàn)焊接過程中的冷熱交替，大大減少了熱量輸入，提高了焊件質(zhì)量。本次試驗選用Fronius公司的TPS4000CMT機器進行焊接。由于焊接方法為邊沿塞焊，即焊槍繞著小孔邊沿逆時針運動一周，最終在孔圓心停止，此方法可以形成一個更加均勻的溫度梯度，從而獲得更小的焊接變形[13]。焊接前使用機器人示教器調(diào)整焊槍使之垂直于鋁板，并設置運動路線。該試驗使用直徑為1.2 mm的焊絲ER4043(AlSi-5)，設置流量為20 L/min的保護氣(氬氣)。調(diào)節(jié)CMT焊接機上的控制器，設置焊接工藝參數(shù)。文中采用了前期試驗[14]初步確定的最優(yōu)焊接工藝參數(shù)：送絲速度為5.6 m/min，焊接速度為1.2 m/min，弧長修正為0。

本試驗焊槍圍繞直徑為7 mm的小孔運動，焊接時間相對較短，鋁鋼薄板的溫度發(fā)生了劇烈變化，容易導致焊接變形。鋁合金的彈性模量低于鋼，而鋁合金的熱傳導系數(shù)、比熱容和線膨脹系數(shù)均高于鋼，所以焊接結(jié)束后鋁合金變形較大，而鋼幾乎沒有發(fā)生變形[15]。由于鋁板具有回彈性，當采用傳統(tǒng)方法測量鋁板變形量時，測量工具與鋁板發(fā)生接觸，會使得測量數(shù)值偏小而產(chǎn)生較大的誤差。

課題組采用如圖2所示的雙目視覺測距設備，通過非接觸的方式對焊件進行測量。雙目立體視覺是根據(jù)視差基理，運用多圖來獲得實物空間幾何信息[16]。一般采用2個位置且型號相同的2臺攝像機來模仿實現(xiàn)人眼，從2個角度拍攝同一實物取得2幅圖像，并根據(jù)視差基理來獲得該實物的三維坐標值。因此該方法能夠提高測量變形的準確性。由于焊接時最大變形一般出現(xiàn)在鋁板的小孔處，按照圖3所示標記測量位置，焊接結(jié)束待薄板冷卻后測出此處的變形為0.107 mm。

2 有限元仿真

2.1 模型建立

課題組創(chuàng)建的有限元模型與實際焊接試件尺寸完全一致，鋁板位于鋼板的上方，且鋁板重疊位置中心設有7 mm的小孔用于點焊模擬，模型如圖4所示，其單元數(shù)目為6 762個，節(jié)點數(shù)目為32 862個。為了確保計算精度并節(jié)省計算時間，網(wǎng)格在靠近焊孔的區(qū)域密集劃分，在遠離焊孔的區(qū)域則稀疏劃分。模型選取熱實體單元Solid90。焊接熱源模型使用均勻體熱源模型，該模型假定焊接熱量在一定的加熱體積內(nèi)均勻分布。

點焊試驗時，試驗臺上的夾具在距小孔中心45 mm左右2邊分別夾住鋁鋼薄板。對其進行仿真時，在相應的夾持點位置處設置模型上節(jié)點，各個方向上的自由度為0，保證焊接模擬過程中模型位置不變。焊接在室溫下進行，模型表面施加20 ℃的初始溫度。為模擬實際焊接時焊槍的運動路線，模型中鋁板處的小孔是由8個等分的扇形體和中心的1個圓柱體組成。利用生死單元技術先將小孔處的單元全部殺死，再復活邊沿處的8個等分的扇形體單元，并將熱源逐一施加于每個扇形體單元上進行溫度場計算，隨后刪除作用于單元上的熱源來模擬電弧的移動。最后激活小孔中心部分的圓柱體上的單元，并將熱源賦予其上，計算之后再次進行刪除，模擬電弧的熄滅。焊接主要是通過溫度場來影響結(jié)構(gòu)場，課題組采用間接耦合法分析熱應力耦合問題，溫度場計算完成后將節(jié)點溫度在應力分析中以體載荷形式施加[17]。

2.2 焊接溫度場和變形結(jié)果分析

此次仿真分為焊接階段與冷卻階段，焊接階段用時約為1.24 s，冷卻階段用時100 s，整體用時約為101.24 s，如圖5所示。當t=0.14 s時(圖5(a))，焊接初始階段，電弧高溫傳遞給焊件使其溫度急速上升，熱源附近的最高溫度達到1 637 ℃；此時焊件上的溫度擴散緩慢，隨著焊接的進行溫度擴散區(qū)域逐漸擴大；焊接熱輸入相對其他時刻較小，小孔邊沿與熔滴接觸區(qū)出現(xiàn)相對較大的變形。當焊接進入到中間時刻，熔核溫度已上升到1 730 ℃，熔核逐漸變大，溫度由小孔向周圍蔓延，溫度梯度近似圓形分布(圖5(b))。上層鋁板發(fā)生明顯變形，變形量由0.169 mm增加到0.204 mm，小孔周圍變形區(qū)域也逐漸擴大(圖5(f))。t=1.24 s時焊接進行到最后一步，焊槍運動到小孔中心，電弧熄滅，焊件溫度下降(圖5(c))；此時熔滴在小孔中心與熔化的鋁板形成熔池，熔核達到最大。重疊區(qū)的鋼板上表面隨著熱輸入的增加逐漸熔化，與熔核反應生成金屬化合物，冷卻形成焊點連接鋼板與鋁板，焊件變形量達到0.287 mm(圖5(g))。經(jīng)過100 s的室溫冷卻，焊接件的最高溫度下降至36 ℃。從圖5(h)看出焊件的最大變形量為0.125 mm，出現(xiàn)在小孔中心處，且焊接變形主要集中在小孔周圍和搭接區(qū)域。與試驗所測0.107 mm較為接近，驗證了模擬的準確性。

3 夾持點位置、搭接寬度對焊接變形的影響

3.1 夾持點位置

工作臺、支撐架或夾具是用來支撐和固定焊接件，同時也起到防止焊接變形的效果。在焊接仿真時需要考慮工作臺、支撐架和夾具等對焊接件的約束作用，以提高仿真結(jié)果的準確性[2]107。為了研究夾持點位置對鋁鋼薄板CMT點焊焊接變形的影響，課題組討論了在搭接寬度W為50 mm時小孔中心至夾持點距離L分別為30，45，60，75和90 mm下搭接件的焊后變形情況。夾持點位置和搭接寬度示意圖如圖6所示。

通過有限元軟件，改變夾持點位置進行仿真，結(jié)果如圖7所示。從圖中的5個夾持點位置可以看出，隨著夾持點位置增大，焊接件最大變形量出現(xiàn)先變小后增大的趨勢，且當夾持點距離小孔中心愈遠，變形量愈大。當L=60 mm時焊件的最大變形量約為0.097 mm，相較于其他夾持點位置變形量最小，說明夾持點位置的變化對焊件變形的影響較大。為了驗證模擬的正確性，課題組進行了與之相對應的試驗，從圖7可知，試驗所測變形以及變化趨勢與仿真一致。

為了進一步分析夾持點位置變化對變形帶來的影響，課題組使用模擬結(jié)果的路徑圖來顯示節(jié)點位移沿所選路徑的變化。由于鋁板在焊接過程中變形相較于鋼板更為明顯，所以在鋁板寬度中心線上沿長度方向(0～125 mm)選擇若干個節(jié)點，通過數(shù)據(jù)處理軟件，繪制節(jié)點位移隨節(jié)點在鋁板上不同位置變化的折線圖。

從圖8可以看出：①當節(jié)點位置為25 mm(即小孔中心)以及58 mm(即距離小孔中心33 mm)時，出現(xiàn)了節(jié)點位移的2個峰值。②當L為90和75 mm時，鋁板焊后變形比其他夾持點位置大，節(jié)點最大位移分別達到0.407和0.216 mm，且均出現(xiàn)在節(jié)點位置為58 mm處。這是由于夾持點距離小孔中心較遠，使得夾具對焊接周圍的塑性變形區(qū)起不到抑制作用，不能有效控制變形；而焊孔中心位于搭接區(qū)域，焊接時鋁鋼薄板之間形成金屬間化合物過渡層并發(fā)生熱傳遞，所以焊孔中心及焊孔周圍的變形會相對較小。③與其它L值相比，L為60 mm時獲得最小的焊接變形；其節(jié)點最大位移出現(xiàn)在小孔處，變形的另一個峰值也出現(xiàn)在節(jié)點位置為58 mm處。④當L為30和45 mm時，節(jié)點位移變化大體一致，其峰值出現(xiàn)在小孔中心處，且這2處的焊接變形較其他夾持點位置較小。這是夾具點距離焊接中心較近，焊接時搭接區(qū)域金屬薄板受熱膨脹，冷卻時又產(chǎn)生收縮的塑性變形，而夾持點的剛性約束作用可以有效減小焊接變形。

3.2 搭接寬度

為進一步研究焊接變形的影響因素，課題組考慮在小孔中心至夾持點距離L=60 mm時，選取搭接寬度W分別為30，40，50，60 和70 mm，討論其對焊接變形的影響。從圖9中得出隨著搭接寬度的增加，最大變形先減小然后再增大，在W=50 mm時，獲得最大變形量為0.097 mm，比其他搭接寬度的變形量要小。這是由于隨著搭接寬度的增加，重疊區(qū)接觸面積增加，從而增大了鋁板和鋼板之間的熱傳遞，焊接時鋁板的高溫傳給鋼板減小了鋁板的熱應變；但是不斷增加搭接寬度，焊接時小孔較高的溫度導致焊接局部溫度過高，接觸區(qū)的鋁板鋼板不能較好地與外界進行熱傳遞，溫度梯度大，出現(xiàn)較大的焊接變形，最終降低焊件質(zhì)量。同樣課題組進行了試驗驗證，從圖9中可以看出，試驗所測數(shù)據(jù)變化趨勢與模擬大體一致。但依然存在著較大的誤差，由于模擬是在一個理想的環(huán)境中進行，而試驗時焊接電流和電壓會在焊接過程上下波動，熱輸入不是一個穩(wěn)定值；其次，每次試驗所設置的焊槍軌跡存在一定的偏差，導致焊點形貌不相同，因而影響著焊接變形。

3.3 搭接寬度與夾持點位置

表2為模擬不同搭接寬度下夾持點位置的變化對焊接變形的影響。從表2可以看出：首先，不同搭接寬度下夾持點位置的改變，最大變形均呈現(xiàn)出由小到大的變化，且不同搭接寬度均對應一個最佳的夾持點位置使得焊接件的變形最小(如表2中*號標記)；其次，不同搭接寬度下所得到的最優(yōu)變形量都在0.097 mm范圍內(nèi)上下波動。

表2 各搭接寬度下不同夾持點位置焊件的最大變形

注：*表示不同搭接寬度最優(yōu)的焊件變形量。

由于夾持點位置和搭接寬度與焊件變形之間的關系密切，課題組從表2中選取不同搭接寬度下的不同夾持點位置建立2因素5水平的試驗組合，如表3所示。

表3 點焊仿真參數(shù)組合

采用Central Composite Resign的設計方法對鋁合金-鋼焊接變形做響應面的分析，并建立多元二次回歸方程擬合出較為準確的數(shù)學模型，其中回歸方程表達式為

(1)

式中：Y為響應值；xi，xj為相對應于響應值的考察因素；a0，ai，aij，aii為回歸系數(shù)。

最終擬合出的方程表達式為

D=0.511+4.183×10-3W-0.019L-2.42×10-4WL+9.301×10-5W2+2.797×10-4L2。

(2)

式中D表示最大變形量。

響應面模型的方差分析如表4所示。當P值<0.05時模型顯著，P值<0.01時模型高度顯著。而表4中F值為54.26，P值<0.000 1，表明回歸方程具有極高的顯著性，此次擬合比較準確。

通過表4中WL的P值<0.000 1可知搭接寬度與夾持點位置的交互影響顯著。從圖10(a)中的響應面可以看出，當搭接寬度為30 mm，小孔中心至夾持點距離為80 mm時存在最大變形，這是由于夾具的約束距離過大，在金屬受熱膨脹和冷卻收縮階段不能起到抑制變形的作用。從圖10(b)的等高線圖可以看出，當夾持點位置處于40～63 mm的范圍，搭接寬度處于30～53 mm的范圍，可獲得0.15 mm左右的變形，變形較小。

4 結(jié)論

課題組通過有限元對鋁鋼薄板點焊進行模擬，分別改變夾持點位置和搭接寬度，探究其對焊接變形的影響。

1) 當W=50 mm時，分析5組不同夾持點位置對焊接變形的影響。隨著夾持點位置增大，鋁板處焊接變形出現(xiàn)由小到大的變化趨勢，在L=60 mm處獲得最小變形。通過對節(jié)點位移路徑圖分析，發(fā)現(xiàn)焊接變形主要發(fā)生在焊孔中心和距離焊孔中心33 mm處。

2) 當L=60 mm時，分析5組不同搭接寬度對焊接變形的影響，在W=50 mm處獲得最小變形。說明在夾持點位置不變的情況下合理選擇搭接寬度可以獲得較小的焊接變形。

3) 搭接寬度和夾持點位置的變化均對焊接變形存在影響，且不同搭接寬度下均存在最佳夾持點位置，可獲得最小的焊接變形。最小變形量大約為0.097 mm。另外，通過建立響應面模型，擬合出焊接變形與搭接寬度、夾持點位置之間的二次回歸方程；并且利用響應面預測模型得出：當搭接寬度為30～53 mm和夾持點位置為40～63 mm時，焊接件的變形較小。