夹持条件对铝钢薄板CMT点焊变形的影响

卞海玲， 许 莎， 邢彦峰

(上海工程技术大学 机械与汽车工程学院， 上海 201620)

铝钢异种材料连接件具有高强度、耐腐蚀和质量轻等优点，在交通运输等领域有着广阔的发展前景[1]。铝钢连接最为常用的方法是焊接，随着温度的变化、固液相之间的转变以及热应力的产生，会导致焊后材料的变形和承受静载荷能力的下降[2]12。因此，有效预测焊接变形及合理地选取方法来分析、控制乃至消除焊接变形，成为提高焊接接头承载能力和保持结构外形不变的重点。

国内外学者对金属材料焊后变形进行了大量的探索分析。Gao等[3]比较了激光焊接(laser beam welding, LBM)和非熔化极惰性气体钨极保护焊(tungsten inert gas welding, TIG)焊接接头的残余变形、焊缝几何形状、组织和力学性能，得出脉冲激光焊接更适合钛合金薄板的焊接。焊接次序对焊接变形存在着影响，Tsai等[4]得出材料刚度由大到小的焊接次序对变形的减小有显著效果。同样外部条件的变化，如高低热输入量和有无约束亦能影响焊后连接件的变形，在Sirisatien等[5]的研究中得到验证。此外，国内外学者将试验和有限元方法相互结合来探究影响焊件变形的原因。Derakhshan等[6]和黄本生等[7]均利用了SYSWELD有限元软件，前者比较激光焊和传统埋弧焊的焊接结果，得出使用激光焊可减少热输入和焊接变形；后者则分析Q345/316 L的2种牌号钢熔接过程的瞬态温度分布、焊后应力及变形。Fu等[8]基于顺序耦合热-力学仿真对不同材料模型下的T型接头焊接所引起的残余应力和变形进行了分析探索。焊件材料形状和尺寸的变化是导致残余应力和变形的要素。蔡建鹏等[9-10]以ABAQUS软件为平台研究不同坡口形式的异种钢对接接头性能；郑乔等[11]研究不同熔敷顺序和管壁厚度的异种钢管-板焊接接头。而Ordieres等[12]从另一个角度出发研究夹具设计对焊接变形的影响，并通过有限元分析对夹具设计进行了优化。

根据国内外研究，大多数学者以试验辅以计算机模拟的手段来探究不同焊接技术、焊接次序、焊接热输入以及材料外形和尺寸等对焊接变形的影响。然而，对夹持点位置、搭接宽度与焊接变形之间的关系探索较少。课题组采用CMT(cold metal transfer)焊接技术对铝钢薄板进行点焊试验，并运用有限元软件对该试验进行仿真，将试验变形数据与仿真结果进行对比以验证仿真的有效性。在此基础上分别改变仿真模拟和试验中的夹持点位置和搭接宽度，得出变形的变化规律。最后，采用响应面法建立相关的数学模型，找到夹持点位置和搭接宽度的合理范围从而得到较小的焊件变形量。课题组主要研究夹持条件对铝钢薄板焊接变形的影响，目的在于获得变形较小的焊接件，改善焊接质量。

1 试验方法

1.1 试验材料

本试验所用材料为铝合金和镀锌钢板，材料的牌号和尺寸如表1所示。2块试样有50 mm的搭接重叠，在铝板重叠位置中心处开有小孔，如图1所示。

表1 试样牌号及尺寸

1.2 焊接方法与变形测量

CMT是一种不产生溅渣的新型工艺技术，它通过数字化方式实现焊接过程中的冷热交替，大大减少了热量输入，提高了焊件质量。本次试验选用Fronius公司的TPS4000CMT机器进行焊接。由于焊接方法为边沿塞焊，即焊枪绕着小孔边沿逆时针运动一周，最终在孔圆心停止，此方法可以形成一个更加均匀的温度梯度，从而获得更小的焊接变形[13]。焊接前使用机器人示教器调整焊枪使之垂直于铝板，并设置运动路线。该试验使用直径为1.2 mm的焊丝ER4043(AlSi-5)，设置流量为20 L/min的保护气(氩气)。调节CMT焊接机上的控制器，设置焊接工艺参数。文中采用了前期试验[14]初步确定的最优焊接工艺参数：送丝速度为5.6 m/min，焊接速度为1.2 m/min，弧长修正为0。

本试验焊枪围绕直径为7 mm的小孔运动，焊接时间相对较短，铝钢薄板的温度发生了剧烈变化，容易导致焊接变形。铝合金的弹性模量低于钢，而铝合金的热传导系数、比热容和线膨胀系数均高于钢，所以焊接结束后铝合金变形较大，而钢几乎没有发生变形[15]。由于铝板具有回弹性，当采用传统方法测量铝板变形量时，测量工具与铝板发生接触，会使得测量数值偏小而产生较大的误差。

课题组采用如图2所示的双目视觉测距设备，通过非接触的方式对焊件进行测量。双目立体视觉是根据视差基理，运用多图来获得实物空间几何信息[16]。一般采用2个位置且型号相同的2台摄像机来模仿实现人眼，从2个角度拍摄同一实物取得2幅图像，并根据视差基理来获得该实物的三维坐标值。因此该方法能够提高测量变形的准确性。由于焊接时最大变形一般出现在铝板的小孔处，按照图3所示标记测量位置，焊接结束待薄板冷却后测出此处的变形为0.107 mm。

2 有限元仿真

2.1 模型建立

课题组创建的有限元模型与实际焊接试件尺寸完全一致，铝板位于钢板的上方，且铝板重叠位置中心设有7 mm的小孔用于点焊模拟，模型如图4所示，其单元数目为6 762个，节点数目为32 862个。为了确保计算精度并节省计算时间，网格在靠近焊孔的区域密集划分，在远离焊孔的区域则稀疏划分。模型选取热实体单元Solid90。焊接热源模型使用均匀体热源模型，该模型假定焊接热量在一定的加热体积内均匀分布。

点焊试验时，试验台上的夹具在距小孔中心45 mm左右2边分别夹住铝钢薄板。对其进行仿真时，在相应的夹持点位置处设置模型上节点，各个方向上的自由度为0，保证焊接模拟过程中模型位置不变。焊接在室温下进行，模型表面施加20 ℃的初始温度。为模拟实际焊接时焊枪的运动路线，模型中铝板处的小孔是由8个等分的扇形体和中心的1个圆柱体组成。利用生死单元技术先将小孔处的单元全部杀死，再复活边沿处的8个等分的扇形体单元，并将热源逐一施加于每个扇形体单元上进行温度场计算，随后删除作用于单元上的热源来模拟电弧的移动。最后激活小孔中心部分的圆柱体上的单元，并将热源赋予其上，计算之后再次进行删除，模拟电弧的熄灭。焊接主要是通过温度场来影响结构场，课题组采用间接耦合法分析热应力耦合问题，温度场计算完成后将节点温度在应力分析中以体载荷形式施加[17]。

2.2 焊接温度场和变形结果分析

此次仿真分为焊接阶段与冷却阶段，焊接阶段用时约为1.24 s，冷却阶段用时100 s，整体用时约为101.24 s，如图5所示。当t=0.14 s时(图5(a))，焊接初始阶段，电弧高温传递给焊件使其温度急速上升，热源附近的最高温度达到1 637 ℃；此时焊件上的温度扩散缓慢，随着焊接的进行温度扩散区域逐渐扩大；焊接热输入相对其他时刻较小，小孔边沿与熔滴接触区出现相对较大的变形。当焊接进入到中间时刻，熔核温度已上升到1 730 ℃，熔核逐渐变大，温度由小孔向周围蔓延，温度梯度近似圆形分布(图5(b))。上层铝板发生明显变形，变形量由0.169 mm增加到0.204 mm，小孔周围变形区域也逐渐扩大(图5(f))。t=1.24 s时焊接进行到最后一步，焊枪运动到小孔中心，电弧熄灭，焊件温度下降(图5(c))；此时熔滴在小孔中心与熔化的铝板形成熔池，熔核达到最大。重叠区的钢板上表面随着热输入的增加逐渐熔化，与熔核反应生成金属化合物，冷却形成焊点连接钢板与铝板，焊件变形量达到0.287 mm(图5(g))。经过100 s的室温冷却，焊接件的最高温度下降至36 ℃。从图5(h)看出焊件的最大变形量为0.125 mm，出现在小孔中心处，且焊接变形主要集中在小孔周围和搭接区域。与试验所测0.107 mm较为接近，验证了模拟的准确性。

3 夹持点位置、搭接宽度对焊接变形的影响

3.1 夹持点位置

工作台、支撑架或夹具是用来支撑和固定焊接件，同时也起到防止焊接变形的效果。在焊接仿真时需要考虑工作台、支撑架和夹具等对焊接件的约束作用，以提高仿真结果的准确性[2]107。为了研究夹持点位置对铝钢薄板CMT点焊焊接变形的影响，课题组讨论了在搭接宽度W为50 mm时小孔中心至夹持点距离L分别为30，45，60，75和90 mm下搭接件的焊后变形情况。夹持点位置和搭接宽度示意图如图6所示。

通过有限元软件，改变夹持点位置进行仿真，结果如图7所示。从图中的5个夹持点位置可以看出，随着夹持点位置增大，焊接件最大变形量出现先变小后增大的趋势，且当夹持点距离小孔中心愈远，变形量愈大。当L=60 mm时焊件的最大变形量约为0.097 mm，相较于其他夹持点位置变形量最小，说明夹持点位置的变化对焊件变形的影响较大。为了验证模拟的正确性，课题组进行了与之相对应的试验，从图7可知，试验所测变形以及变化趋势与仿真一致。

为了进一步分析夹持点位置变化对变形带来的影响，课题组使用模拟结果的路径图来显示节点位移沿所选路径的变化。由于铝板在焊接过程中变形相较于钢板更为明显，所以在铝板宽度中心线上沿长度方向(0～125 mm)选择若干个节点，通过数据处理软件，绘制节点位移随节点在铝板上不同位置变化的折线图。

从图8可以看出：①当节点位置为25 mm(即小孔中心)以及58 mm(即距离小孔中心33 mm)时，出现了节点位移的2个峰值。②当L为90和75 mm时，铝板焊后变形比其他夹持点位置大，节点最大位移分别达到0.407和0.216 mm，且均出现在节点位置为58 mm处。这是由于夹持点距离小孔中心较远，使得夹具对焊接周围的塑性变形区起不到抑制作用，不能有效控制变形；而焊孔中心位于搭接区域，焊接时铝钢薄板之间形成金属间化合物过渡层并发生热传递，所以焊孔中心及焊孔周围的变形会相对较小。③与其它L值相比，L为60 mm时获得最小的焊接变形；其节点最大位移出现在小孔处，变形的另一个峰值也出现在节点位置为58 mm处。④当L为30和45 mm时，节点位移变化大体一致，其峰值出现在小孔中心处，且这2处的焊接变形较其他夹持点位置较小。这是夹具点距离焊接中心较近，焊接时搭接区域金属薄板受热膨胀，冷却时又产生收缩的塑性变形，而夹持点的刚性约束作用可以有效减小焊接变形。

3.2 搭接宽度

为进一步研究焊接变形的影响因素，课题组考虑在小孔中心至夹持点距离L=60 mm时，选取搭接宽度W分别为30，40，50，60 和70 mm，讨论其对焊接变形的影响。从图9中得出随着搭接宽度的增加，最大变形先减小然后再增大，在W=50 mm时，获得最大变形量为0.097 mm，比其他搭接宽度的变形量要小。这是由于随着搭接宽度的增加，重叠区接触面积增加，从而增大了铝板和钢板之间的热传递，焊接时铝板的高温传给钢板减小了铝板的热应变；但是不断增加搭接宽度，焊接时小孔较高的温度导致焊接局部温度过高，接触区的铝板钢板不能较好地与外界进行热传递，温度梯度大，出现较大的焊接变形，最终降低焊件质量。同样课题组进行了试验验证，从图9中可以看出，试验所测数据变化趋势与模拟大体一致。但依然存在着较大的误差，由于模拟是在一个理想的环境中进行，而试验时焊接电流和电压会在焊接过程上下波动，热输入不是一个稳定值；其次，每次试验所设置的焊枪轨迹存在一定的偏差，导致焊点形貌不相同，因而影响着焊接变形。

3.3 搭接宽度与夹持点位置

表2为模拟不同搭接宽度下夹持点位置的变化对焊接变形的影响。从表2可以看出：首先，不同搭接宽度下夹持点位置的改变，最大变形均呈现出由小到大的变化，且不同搭接宽度均对应一个最佳的夹持点位置使得焊接件的变形最小(如表2中*号标记)；其次，不同搭接宽度下所得到的最优变形量都在0.097 mm范围内上下波动。

表2 各搭接宽度下不同夹持点位置焊件的最大变形

注：*表示不同搭接宽度最优的焊件变形量。

由于夹持点位置和搭接宽度与焊件变形之间的关系密切，课题组从表2中选取不同搭接宽度下的不同夹持点位置建立2因素5水平的试验组合，如表3所示。

表3 点焊仿真参数组合

采用Central Composite Resign的设计方法对铝合金-钢焊接变形做响应面的分析，并建立多元二次回归方程拟合出较为准确的数学模型，其中回归方程表达式为

(1)

式中：Y为响应值；xi，xj为相对应于响应值的考察因素；a0，ai，aij，aii为回归系数。

最终拟合出的方程表达式为

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表示最大变形量。

响应面模型的方差分析如表4所示。当P值<0.05时模型显著，P值<0.01时模型高度显著。而表4中F值为54.26，P值<0.000 1，表明回归方程具有极高的显著性，此次拟合比较准确。

通过表4中WL的P值<0.000 1可知搭接宽度与夹持点位置的交互影响显著。从图10(a)中的响应面可以看出，当搭接宽度为30 mm，小孔中心至夹持点距离为80 mm时存在最大变形，这是由于夹具的约束距离过大，在金属受热膨胀和冷却收缩阶段不能起到抑制变形的作用。从图10(b)的等高线图可以看出，当夹持点位置处于40～63 mm的范围，搭接宽度处于30～53 mm的范围，可获得0.15 mm左右的变形，变形较小。

4 结论

课题组通过有限元对铝钢薄板点焊进行模拟，分别改变夹持点位置和搭接宽度，探究其对焊接变形的影响。

1) 当W=50 mm时，分析5组不同夹持点位置对焊接变形的影响。随着夹持点位置增大，铝板处焊接变形出现由小到大的变化趋势，在L=60 mm处获得最小变形。通过对节点位移路径图分析，发现焊接变形主要发生在焊孔中心和距离焊孔中心33 mm处。

2) 当L=60 mm时，分析5组不同搭接宽度对焊接变形的影响，在W=50 mm处获得最小变形。说明在夹持点位置不变的情况下合理选择搭接宽度可以获得较小的焊接变形。

3) 搭接宽度和夹持点位置的变化均对焊接变形存在影响，且不同搭接宽度下均存在最佳夹持点位置，可获得最小的焊接变形。最小变形量大约为0.097 mm。另外，通过建立响应面模型，拟合出焊接变形与搭接宽度、夹持点位置之间的二次回归方程；并且利用响应面预测模型得出：当搭接宽度为30～53 mm和夹持点位置为40～63 mm时，焊接件的变形较小。