研究背景

超薄板激光焊接過程中，當焊縫區縱向收縮引起的薄板內壓應力超過其自身的失穩臨界載荷時，焊后會出現波浪狀的失穩變形，影響整體結構的尺寸精度。波浪失穩變形多出現于薄板失穩屈曲分析的高階模態中，是一種瞬時的復雜面外大變形問題。為了控制乃至消除波浪變形，可采用的手段有隨焊沖擊法，溫差拉伸法，預變形法和剛性約束法等。

超薄板指的是厚度低于0.1 mm的板材，主要應用于生物工程、航空航天、新能源等領域。其剛度較低，在焊接制備過程中更易發生失穩變形。目前研究中針對厚度0.1 mm以下超薄板焊后面外波浪變形的相關機理和控制方案的研究較少。本文針對帶有夾具作用的0.07 mm厚 316L鋼箔的激光焊建立熱-力耦合數值模型，分析了超薄板焊接波浪失穩變形的產生機制，基于此研究了焊縫碾壓法和預拉伸應變法對波浪變形的調控與矯正作用。

結果展示

以 3.6 J/mm的激光焊熱輸入對尺寸為100 mm×50 mm的0.07 mm超薄板試樣的波浪變形進行模擬計算，將相應算例面外變形云圖中焊縫附近的小波浪變形個數與激光焊實驗觀測所得波形個數進行對比，如圖1所示。在模擬云圖中將焊縫線鄰近的交錯分布的綠色區域（有較大面外變形產生的位置）視為波浪小鼓凸，以凸起個數作為波浪變形的計數標準，可以發現實測（20）與模擬（19）得到的波形個數大致相近，說明數值模型能夠合理反映超薄板的激光焊波浪變形現象。

(a) 模擬變形云圖

(b) 模擬結果（1/2模型試樣）

(c) 實驗結果（整體試樣）

圖1 焊后超薄板面外波浪變形的計算結果

研究碾壓輪直徑大小對100 mm×50 mm的0.07 mm超薄板試樣的波浪變形的控制效果，對比不同直徑的滾軸碾壓以及之前無碾壓算例中超薄板的波浪變形可以發現，隨焊碾壓可以使超薄板焊后整體面外變形幅度降低，由原來的0.46 mm下降至0.25 mm。碾壓輪直徑的增加會使焊縫處的波浪變形得到更充分的消除，在大直徑算例中較長焊縫處的面外波浪變形高度差被控制在0.002 mm之內，基本接近平直。

(a) 無碾壓

(b) 碾壓輪直徑48 mm,d=2 mm

(c) 碾壓輪直徑72 mm,d=2 mm

圖2 不同碾壓輪直徑下焊縫處變形沿焊縫長度的變化

如圖3所示，碾壓輪的直徑越大，其在薄板上的咬入長度越大，使單位時間內，同時承受碾壓作用的焊縫金屬的長度越大，碾壓作用越均勻，從而使焊縫金屬得到更長和更寬的延伸，從而減小了殘余應力與變形。如圖4所示，對比隨焊碾壓試樣與無碾壓試樣在焊縫附近的壓縮塑性應變在云圖中的分布，碾壓的作用會改變焊縫附近原來壓縮應變與拉伸應變交錯狀分布的塑性應變狀態，使塑性壓縮應變區域在平面寬度和長度方向得到明顯的平整延伸并連為一體，最終形成在焊縫線上連續均勻分布的橫向和縱向塑性應變區，使得焊縫處發生局部小鼓凸變形的可能大大減小，從而抑制了波浪變形。

圖3 不同直徑的碾壓輪咬入薄板的示意圖

圖4 隨焊碾壓對超薄板焊接塑性應變分布區域的影響

設定數值模型中焊縫區域預拉伸應變量分別為0.1%，0.15%和0.2%。計算三個算例的焊后面外變形分布情況，與原算例進行對比，可以發現在焊縫預拉伸應變的作用下，焊后整體面外變形得到了較明顯的抑制。在預應變為0.2%時，薄板邊緣的變形量由原來的0.45 mm左右下降了兩個數量級以上，試樣整體的面外失穩現象已很不明顯。分析認為，預應變試樣在焊接過程中母材對于焊縫的拘束度下降，減小了焊縫金屬膨脹時產生的壓縮塑性應變。設定垂直焊接線(X=50,Y=0~25)的路徑，在其上取點得到了四個算例的縱向塑性應變分布曲線，在焊縫中點垂直于焊接方向，原先距焊接線0~3 mm內的壓縮塑性應變在預拉伸的作用下大部分變為拉伸塑性應變，預拉伸算例在距焊接中心線4 mm附近會有一個寬度為3 mm左右的塑性壓縮應變峰出現，如圖5所示。可見，預應變量越大，焊縫處的殘余壓縮應變量越小，最終薄板的失穩變形也得到更明顯的抑制。

(a) 超薄板試樣的焊后面外變形分布曲線

(b) 四種試樣的縱向塑性應變在板內橫方向上的分布

圖5 隨焊碾壓對超薄板焊接塑性應變分布區域的影響

結論

(1) 建立了基于殼單元的有限元模型，采用熱-力順序耦合的方法，針對激光焊中薄金屬板出現的波浪失穩變形進行計算，發現波浪變形試樣在焊縫附近的縱向壓縮應變分布具有交替出現的特點，其間夾雜著局部拉伸塑性應變區域，這種應變分布導致超薄板內出現由小鼓凸組成的波浪變形。

(2) 隨焊碾壓可以使超薄板焊后整體面外變形幅度降低，由原來的0.46 mm下降至0.25 mm。在大直徑算例中較長焊縫處的面外波浪變形高度差被控制在0.002 mm之內。其原因是：碾壓輪的直徑越大，使單位時間內同時承受碾壓作用的焊縫金屬的長度更大，碾壓作用更均勻，從而減小了殘余變形，隨著壓輥與熱源距離的增大，壓輥對波浪變形的控制效果明顯下降，研究顯示碾壓距離設計在2 mm以內（該處溫度為1450 ℃，高于材料的力學熔化點）的工作效果較好。

(3) 采用0.15%的預拉伸方法可以大大減少薄板的面外失穩變形量，其主要原因是，通過施加預拉伸，使得焊后焊縫中的塑性應變發生了由壓縮向拉伸應變的轉變。

原文出處：

316L超薄板激光焊接的失穩變形規律

張景祺，林健，雷永平，許海亮，王細波

材料工程，2020，48（12）：126-134

DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001168

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