A7N01铝合金焊接接头在新型机械整形工艺下的疲劳性能变化

毕 胜

高速列车焊接结构的早期疲劳时效是造成轨道列车事故的主要诱因，在其结构优化和受力分析等方面还未得到充分研究。焊接过程中，铝合金焊接接头受到内应力以及热循环载荷的综合作用，表现出焊后性能减弱的现象。因此，采用合理的工艺和结构疲劳方案是提高铝合金焊接接头质量的关键。铝合金结构的几何连续性受到焊后余高的影响，产生应力集中现象，从而降低了结构疲劳强度，因此采用机械冲击、熔修、磨削等工艺可以对焊缝几何形状的优化和应力集中的减弱起到积极作用。本文提出了一种新型碾压整形工艺，并对A7N01铝合金焊接接头在该工艺下的疲劳性能进行了研究。电弧焊广泛应用于工业生产中，由于母体金属的热传导和热扩散作用，电弧焊过程中，电力损失占整个焊接能源消耗的主要部分。研究发现，可以通过提高焊接点处金属温度、减少母体金属的热扩散等方式合理控制工件中的能量流，减少热损失。通过综合分析焊接过程中热量的传输可确定能量损失，有研究曾给出了假设条件下温度场分析模型。焊接过程中，单位长度消耗的能量与电弧功率呈正比，与喷灯移动速率呈反比。

1 有限元分析

本文从厚度为12.5mm的高速列车用不同批次的A7N01铝合金焊板上截取了4个试样，分别编号为1、2、3、4。统计焊接接头试件的几何形状，以研究其对应力集中系数的影响。给出了铝合金焊接接头试件的宏观形貌。对4个试件的几何参数进行统计，求其得平均值为焊缝最大宽度B为22.865mm，正面余高h1为2.675mm，背面余高h2为1.863mm，焊趾角为24.75°。文章给出了焊接接头的几何模型和参数优化方案。即在焊趾处增加焊道和过渡圆弧，焊道的宽度为w、焊趾角为，圆弧的半径为r。采用有限元软件计算A7N01铝合金焊接接头的应力分布。几何参数的优化方法为保持余高和焊趾角不变，焊道宽度分别取0mm、3mm、6mm和8 mm，焊趾半径分别取4mm、6mm、8mm和10 mm。按照统计的铝合金焊接接头的平均几何参数建立有限元模型，模型参数设置为：弹性模量为89 GPa，泊松比为0.3；单元类型为4节点平面应变单元，焊趾处细化网格的最小尺寸为0.1 mm；加载单轴拉应力为60 MPa的。

通过有限元分析计算表明，原始焊接接头产生了很大的焊趾应力集中，系数高达2.0。这是因为较大的接头余高导致焊趾位置产生显著的几何不连续性。给出了增加焊趾过渡圆弧后的应力集中系数变化曲线。可以看出，应力集中系数伴随焊趾圆弧半径的增大逐渐减小，这是由于焊趾处的几何形状趋于平滑；应力集中系数伴随焊道宽度的增加有所增加，这是由于接头形状优化受焊道宽度的影响有限；应力集中系数在原始焊接接头上直接增加过渡圆弧时，显著降低，并在焊趾半径为8 mm时达到最小值1.12。

用COMSOL多物理场仿真软件求解上述模拟线性自生GTA焊接过程的传输方程组。COMSOL可以解决多种物理现象耦合模型。COMSOL多物理场以有限元法为基础。对全部偏微分方程二次离散化。最大元为0.08mm的非结构化四面体网格被应用到位于熔池处的流体域。在工件只有温度场和电磁场的区域，网格比较粗糙，最大尺寸达到了0.25mm。 为了对数据进一步处理，本实验进一步改进了MATLAB代码。

2 焊后整形后的疲劳性能

有限元分析表明，缺口位应力集中现象在焊趾处加工半径为8 mm的过渡圆弧后得到大幅减弱，焊接构件的抗疲劳强度也随之提高。本文设计了一套新型碾压整形装置，其原理是焊缝几何形状在碾压轮施加的机械力作用下得到优化，从而减小焊趾应力集中。该套装置主要由前碾压轮、后碾压轮、冲击杆轴、碾压轮轴、碾压轮导向架和碾压轮后座六部分组成。由于前轮的直径较大且轮缘为凸面，因此先与工件接触并对焊后余高起到捶打作用；后轮直径较小且轮缘为凹面，因此在焊趾处于工件接触，并对焊趾几何形状起到优化作用。通过设计多组直径的碾压轮，保证后轮与焊趾接触，以适应不同的焊缝宽度。

整形试验选用两块A7N01铝合金板料，规格为500×250×12.5mm，开角度为60°的单边V形坡口。施焊方法与MIG焊相同，填充材料为直径为2.5 mm的SAF 5356焊丝，焊接电流与电压分别为220 A和23 V，焊接速度为40 cm/min。采用机械冲击碾压技术对一块焊板实施整形。将焊板装夹在工作台上后，连接冲击气锤与碾压机构，调整位置使前后碾压轮的轮缘分别与焊缝余高和焊趾接触；打开冲击气锤与工作台的开关，焊缝余高以及焊趾几何形状在气锤的冲击作用下得到优化。按照国标要求，分别在未整形焊板和整形焊板上截取8个试样，经抛光打磨后采用MTS810疲劳试验机进行疲劳试验，载荷设置为脉动载荷，最大应力为100 MPa。

相比原始焊接接头，焊趾过渡更加平滑，缺口应力集中现象减弱。原始焊接接头和整形焊接接头的疲劳试验结果可知，原始焊接接头的疲劳寿命的平均为0.81×106周次，仅有1个试件的疲劳断裂出现在焊缝处，其余7个均出现在焊趾处，这是由于焊趾几何不连续性导致的应力集中问题导致的。焊接接头整形降低了应力集中，疲劳寿命的平均值提高到了3.06×106周次，远高于高速列车的疲劳强度要求（2.0×106周次）。其中，试件4、6、7均在母材上发生断裂，试件3在循环10×106周次后仍未断裂。

3 焊接有限元分析

AISI1018钢的线性自生GTA焊接模拟了不同组合的能量输入和焊接速度情况。工件长200mm（x轴方向）、宽50mm(y轴方向)、厚3mm（z轴方向）。出于200mm长的工件，焊接喷灯前长30mm，焊接喷灯后长170mm。喷灯的位置被认为是构架的起点。需要说明的是，模拟过程中热源的有效面积是4.0 mm。一次整个熔池能够处在热源之下。电弧与工件的相对运动使纵向焊缝两边不对称。熔池表面的温度分布范围时从熔池边缘的熔化温度到最大渗透深度上的最大温度。焊接速度达到2.0mm/s时，流体流动由Marangoni对流驱动。焊接熔池表面的流体从中心流向四周。当焊接速度达到2.5mm/s和3.0mm/s时，流动模式经过渡转为更复杂的多涡流模式。这种情况下，渗透深度有所加强。当焊接速度为2.0mm/s时，流动模式为环涡，3xz平面和yz平面证实了此结构，此结构由Marangoni对流引起。这种对流主要是相邻熔池表面间的对流运动。熔池深度随着焊接速度的增加而增加，这种情况下，洛伦兹力诱导熔体沿熔池底部向熔池边缘流动，并产生漩涡以加强热量向熔池底部传输。这说明洛伦兹力在增加熔池深度上起着重要作用。因此，在相同的能量或热量输入的情况下，随着焊接速度从2.0mm/s增加到2.5mm/s再到3mm/s，熔体流动模式从简单漩涡结构过渡到复杂的漩涡系统结构，这时，热传输能够增加熔池深度。下面我们仔细看看在工件表面上的温度分布；这将为我们理解为何在热量输入总量和材料特性相同时，较高焊接速度和较大的能量输入使熔池扩大提供额外的帮助。焊接速度2.0mm/s、输入功率600W和焊接速度3.0mm/s、输入功率900W时的工件上表面的温度分布。这两种方案单位长度的热量输入都是300J/MM但是后一个方案的最高温度比前一个高出了24%。然而，两个方案的平均温度很接近。

佩克莱特数用来表示对流与扩散的相对比例。因为研究中材料特性和电弧形状始终不变，因而佩克莱特数仅与焊接速度有关。焊接速度为2mm/s和3mm/s时，佩克莱特数分别是1.16和1.74。随着佩克莱特数的增加最大温度随之增加，这意味着电弧与工件之间平动散热速度要大于热导入材料速率。然而，电弧单位距离热输入为常数，这意味着随着输入功率增加，电弧下端的温度也在增加。由于洛伦兹力增强熔池搅拌程度，因此熔池内温度提高，金属熔化速率加快。表面温度提高、熔池对流速度加快导致了焊缝熔深加深。

六种不同焊接速度的熔池横截面（yz）和上表面（xy）。这些方案中，单位长度总热量输入为常数300J/mm。在这六种方案中，尽管单位长度的热量输入相同，但是焊接熔池的几何形状却明显不同。每个方案中最大渗透深度处焊接熔池的横截面。随着输入功率和焊接速度的提高，熔池渗透深度和该处横截面的面积也相应增加。观察1号熔池到6号熔池的变化，发现当焊接速度和功率输入提高150%时，熔池渗透深度提高了两倍。焊接速度和输入功率越大，焊接熔池的上表面的长（沿x轴）、宽（沿y轴）也相应增加，但是延长率要大于宽度扩张率。当单位热量输入分别为350J/mm、300J/mm、250J/mm时，焊缝渗透深度与焊接速度的关系曲线。需要说明的 是，为了保证单位热量输入为常数，电弧功率与焊接速度呈比例增长。例如，当单位长度的热量输入为300J/mm时，随着焊接速度从2mm/s提高到3mm/s，电弧功率也应相应地由600W增加到900W。可以看出，对恒定的热量输入，焊接速度和输入功率的提高导致了焊缝深度的增加。

为获得某一焊缝渗透深度，我们选择了不同组合的单位热量输入和焊接速度。例如，如果要获得1.25mm的焊缝渗透深度，我们可以从图中曲线读出相应的热量输入和焊接速度参数组合。这些方案的输入功率分别是784W、918W、1100W。这说明采用较高焊接速度和输入功率的焊接工艺，不仅能够提高生产效率，还能够降低能耗。当单位热量输入分别为350J/mm、300J/mm、250J/mm时，焊缝熔池的深宽比与焊接速度的关系曲线。单位长度热量输入为常数时，在母体金属表面熔化速度较低且熔池较浅，因此深宽比有最小值。随着焊接速度的增加，熔池深度增加要快于宽度增加，因此深宽比总是不断增加。深度的变化趋势和深宽比的变化趋势及其相似；然而，焊接速度较低时，深宽比曲线的斜率较大。方案a、b、c、中深宽比分别是0.240、0.243、0.246。

单位长度焊缝输入总热不同时工件最大温度和平均温度关于焊接速度变化关系。随着焊接速度和佩克莱特数的增加，最大温度也随之提高。最大温度和平均温度的变化曲线都接近线性。随着焊接速度的增加，尽管平均温度仅有微小增加，但最大温度增加明显。最大温度的提高导致了焊缝几何特征的变化，如焊缝熔深、深宽比。另一方面，因为平均温度基本保持不变，在较高焊接速度和输入功率时，熔池冷却速度加快。冷却速度是影响熔池金属凝固和形成金属间化合物相的关键因素。最大温度和金属蒸发和残余应力的发展呈正比例。值得一提的是，为避免模拟过程复杂化，本文规定蒸发最大温度低于铁的沸点。

对焊缝渗透深度相同的三种方案a-c，可以看出最大温度有明显的差别。a、b、c三种方案的最大温度分别是2547K，2660K，2836K。结果发现，熔化效率在1.8%到17.3%之间变化。这说明只有很少一部分热量用于熔化金属，大部分热量都由于母体金属的热传导作用而浪费掉了。通过选择合适的焊接速度和输入功率组合，能够有效提高熔化效率。a、b、c所显示的熔化效率分别是12.9%、14.8%和17.3%。尽管a中单位长度热输入量比c高40%但是c的熔化效率要比a高出38%。这就是两者几何方面相似的原因。为了验证某个方案通过数值模拟得到的焊缝纵截面的预测图，我们将其与实验结果进行了比较。选择的方案参数为：焊接速度4.4mm/s、输入功率1100W，即方案a。比较了焊缝的纵截面图。实验中，为获得1100W的输入功率，我们将电弧电流设置为125A，电弧电压为12V并假设电弧效率为75%。文献详述了获得该焊缝的实验过程。本文的对比研究进一步证实了COMSOL有限元法。需要说明的是，研究中忽略了重力对GTA焊接过程的影响。

4 结论

采用有限元技术分析焊趾半径和焊道宽度对应力集中系数的影响，最终确定了焊缝的最优几何形状为焊趾半径为8mm时。针对焊缝几何形状的优化问题，研制出了新型碾压整形装置，该装置通过机械冲击作用增大焊趾半径，降低余高。通过对整形前后的焊接接头进行疲劳试验，试验结果表明，A7N01铝合金焊接接头在碾压整形后的疲劳寿命大幅提高，焊趾应力集中显著减弱，疲劳断裂主要出现在焊缝和母材处。本文使用基于有限元法的COMSOL多物理场软件模拟了低碳钢上的自生钨电极惰性气体保护焊。该模型包括焊接电弧产生的电磁场、焊接熔池内熔体流动速度场、整个工件的热传导过程。结果表明，在单位焊缝长度输入相同时，可以通过优化焊接速度和电弧功率组合有效降低焊接过程的能耗。单位焊缝长度输入能量为常数，熔池内熔体流动速度场包括由Marangoni对流引起的从中心向上流动的环涡；对流在焊接速度较低时占主要作用。焊接速度较高时，洛伦兹力产生的漩涡位于Marangoni环涡的下面，因此对流得到加强、熔池加深。随着焊接速度和输入功率的提高，熔体流动最大速度也随之增加。通过分析工件温度分布场，我们发现，尽管热输入总量和材料特性不变，但同时提高焊接速度和输入功率，焊接熔池最高温度也随之提高。通过比较佩克莱特数，我们发现，在焊接速度较高时，热对流比热传导作用更大，这导致了热分布更集中于热源的周围，例如热源下面的温度更高并进一步增加熔池尺寸和熔化效率。单位焊缝长度热输入为常数，随着焊接速度提高，焊缝熔深、深宽比、最大温度以及熔化效率都相应提高。换句话说，通过选择合适的焊接参数，同样的耗能能够得到更优的焊缝特性。尽管焊缝熔深、深宽比以及熔化效率的提高总是有利的，但随之带来的更高的温度可能导致更大的残余应力、熔融金属蒸发加速以及形成有害金属相。热输入量不同，选择合适的焊接速度和输入功率，可以在降低耗能的前提下实现某一焊缝熔深。例如，为获得1.25mm的焊缝熔深，选择的焊接参数可以是焊接速度2.24mm/s&输入功率784W，也可以是焊接速度4.4mm/s&输入功率1100W。与焊接速度2.24mm/s的方案相比，后者的温度要高12%，能耗降低28%。