【论文介绍】316L超薄板激光焊接的失稳变形规律
研究背景
超薄板激光焊接过程中，当焊缝区纵向收缩引起的薄板内压应力超过其自身的失稳临界载荷时，焊后会出现波浪状的失稳变形，影响整体结构的尺寸精度。波浪失稳变形多出现于薄板失稳屈曲分析的高阶模态中，是一种瞬时的复杂面外大变形问题。为了控制乃至消除波浪变形，可采用的手段有随焊冲击法，温差拉伸法，预变形法和刚性约束法等。
超薄板指的是厚度低于0.1 mm的板材，主要应用于生物工程、航空航天、新能源等领域。其刚度较低，在焊接制备过程中更易发生失稳变形。目前研究中针对厚度0.1 mm以下超薄板焊后面外波浪变形的相关机理和控制方案的研究较少。本文针对带有夹具作用的0.07 mm厚 316L钢箔的激光焊建立热-力耦合数值模型，分析了超薄板焊接波浪失稳变形的产生机制，基于此研究了焊缝碾压法和预拉伸应变法对波浪变形的调控与矫正作用。
结果展示
以 3.6 J/mm的激光焊热输入对尺寸为100 mm×50 mm的0.07 mm超薄板试样的波浪变形进行模拟计算，将相应算例面外变形云图中焊缝附近的小波浪变形个数与激光焊实验观测所得波形个数进行对比，如图1所示。在模拟云图中将焊缝线邻近的交错分布的绿色区域（有较大面外变形产生的位置）视为波浪小鼓凸，以凸起个数作为波浪变形的计数标准，可以发现实测（20）与模拟（19）得到的波形个数大致相近，说明数值模型能够合理反映超薄板的激光焊波浪变形现象。
(b) 模拟结果（1/2模型试样）
研究碾压轮直径大小对100 mm×50 mm的0.07 mm超薄板试样的波浪变形的控制效果，对比不同直径的滚轴碾压以及之前无碾压算例中超薄板的波浪变形可以发现，随焊碾压可以使超薄板焊后整体面外变形幅度降低，由原来的0.46 mm下降至0.25 mm。碾压轮直径的增加会使焊缝处的波浪变形得到更充分的消除，在大直径算例中较长焊缝处的面外波浪变形高度差被控制在0.002 mm之内，基本接近平直。
(a) 无碾压
(b) 碾压轮直径48 mm,d=2 mm
(c) 碾压轮直径72 mm,d=2 mm
图2 不同碾压轮直径下焊缝处变形沿焊缝长度的变化
如图3所示，碾压轮的直径越大，其在薄板上的咬入长度越大，使单位时间内，同时承受碾压作用的焊缝金属的长度越大，碾压作用越均匀，从而使焊缝金属得到更长和更宽的延伸，从而减小了残余应力与变形。如图4所示，对比随焊碾压试样与无碾压试样在焊缝附近的压缩塑性应变在云图中的分布，碾压的作用会改变焊缝附近原来压缩应变与拉伸应变交错状分布的塑性应变状态，使塑性压缩应变区域在平面宽度和长度方向得到明显的平整延伸并连为一体，最终形成在焊缝线上连续均匀分布的横向和纵向塑性应变区，使得焊缝处发生局部小鼓凸变形的可能大大减小，从而抑制了波浪变形。
图3 不同直径的碾压轮咬入薄板的示意图
图4 随焊碾压对超薄板焊接塑性应变分布区域的影响
设定数值模型中焊缝区域预拉伸应变量分别为0.1%，0.15%和0.2%。计算三个算例的焊后面外变形分布情况，与原算例进行对比，可以发现在焊缝预拉伸应变的作用下，焊后整体面外变形得到了较明显的抑制。在预应变为0.2%时，薄板边缘的变形量由原来的0.45 mm左右下降了两个数量级以上，试样整体的面外失稳现象已很不明显。分析认为，预应变试样在焊接过程中母材对于焊缝的拘束度下降，减小了焊缝金属膨胀时产生的压缩塑性应变。设定垂直焊接线(X=50,Y=0~25)的路径，在其上取点得到了四个算例的纵向塑性应变分布曲线，在焊缝中点垂直于焊接方向，原先距焊接线0~3 mm内的压缩塑性应变在预拉伸的作用下大部分变为拉伸塑性应变，预拉伸算例在距焊接中心线4 mm附近会有一个宽度为3 mm左右的塑性压缩应变峰出现，如图5所示。可见，预应变量越大，焊缝处的残余压缩应变量越小，最终薄板的失稳变形也得到更明显的抑制。
(a) 超薄板试样的焊后面外变形分布曲线
(b) 四种试样的纵向塑性应变在板内横方向上的分布
图5 随焊碾压对超薄板焊接塑性应变分布区域的影响
结论
(1) 建立了基于壳单元的有限元模型，采用热-力顺序耦合的方法，针对激光焊中薄金属板出现的波浪失稳变形进行计算，发现波浪变形试样在焊缝附近的纵向压缩应变分布具有交替出现的特点，其间夹杂着局部拉伸塑性应变区域，这种应变分布导致超薄板内出现由小鼓凸组成的波浪变形。
(2) 随焊碾压可以使超薄板焊后整体面外变形幅度降低，由原来的0.46 mm下降至0.25 mm。在大直径算例中较长焊缝处的面外波浪变形高度差被控制在0.002 mm之内。其原因是：碾压轮的直径越大，使单位时间内同时承受碾压作用的焊缝金属的长度更大，碾压作用更均匀，从而减小了残余变形，随着压辊与热源距离的增大，压辊对波浪变形的控制效果明显下降，研究显示碾压距离设计在2 mm以内（该处温度为1450 ℃，高于材料的力学熔化点）的工作效果较好。
(3) 采用0.15%的预拉伸方法可以大大减少薄板的面外失稳变形量，其主要原因是，通过施加预拉伸，使得焊后焊缝中的塑性应变发生了由压缩向拉伸应变的转变。
原文出处：
张景祺，林健，雷永平，许海亮，王细波
材料工程，2020，48（12）：126-134
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001168