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1、A514钢激光焊焊缝应力模拟文献综述1、前言激光焊接是一种高能密度、高效、精密的焊接方法,主要用于焊接精度要求高、受热影响要求小的结构和材料目前在航空航天、汽车制造、微电子、医 疗等领域有广泛的应用, 因而对激光焊接过程的研 究也越来越受到重视。世界上第一台激光器的问世到现在已经有50年的历史，千瓦级CO2激光器的诞生带动了激光焊接的突破性进展,至今也已将近40年.几十年来,激光焊接已越来越显示出其高质量、高精度、低变形、高效率、高柔性等显著优越性，为越来越多的工业部门所应用并被更深入的研究。但是在所有的激光加工方法中，激光焊接的物理过程最复杂，焊接过程中存在光致等离子体，小孔效应等极其不稳定
2、的因素；它对焊件的准备、光学系统的状态、焊接参数的选择和控制等方面的要求都很高，稍有疏忽就会产生焊接缺陷。所以在高速的激光焊接中如何保证过程的稳定性和质量的稳定性，成为进一步发展和推广应用激光焊接技术的关键。因而对激光焊接质量的实时检测和控制有迫切的需要，已成为国内外的研究热点。十余年来，在这方面的研究已取得了明显的进展。【1】激光焊接是一个快速、不均匀的热循环过程,焊缝区域的温度梯度特别大, 显著影响焊接结构的焊 后变形和残余应力分布。数值模拟技术是 20 世纪70 年代以后用于研究激光焊接过程的重要方法,其主要工作在于对激光热源的准确建模。激光深熔焊 的本质特征是存在匙孔效应, 焊接后熔池
3、 呈钉头形。国内外学者针对激光焊的匙孔效应做了大量数值研究工作, 建立了各种描述激光热源的模型, 包括二维移动线热源模型,高斯分布的表面热源模 型,点 线 组 合 移 动 热 源 模 型,锥 形 热 源模型,移动圆柱体热源模型, 面体组合热源模型等, 使得激光焊接热过程的模拟越来越接近实际过 程。在此基础上, 激光焊接残余应力、变形和流场等方面的模拟工作也陆续开展。【2】2、 A514钢的概述1. A514钢分类所谓A514钢板，即ASTM-A514“焊接用低合金高强度调质钢板”。分局钢板的厚度及其工艺要求，规定了各种不同的化学成分，分成不同的级别。钢板热轧后在900C的温度下进行水冷或油冷淬
4、火，然后在不低于620C的温度下进行回火，其机械性能应达到表1的固定。当用横向试样试验时，其延伸率允许降低2%，断面收缩率允许降低5%。【3】2. A514钢化学成分和性能要求【3】3. A514钢焊接性能分析美国进口的A514钢属于低合金高强钢，焊接的主要问题是容易产生裂纹，其次是热影响区性能发生变化。由于A514钢含有多种合金元素，所以钢的淬硬性倾向大，容易在热影响区产生大量脆硬的马氏体导致焊接接头严重脆化，严重降低焊接接头的韧性与塑形，增大了焊接接头的冷裂倾向。为了提高抗裂性，应尽量降低焊接接头的含氢量，并采用焊前预热和焊后及时热处理。另外，A514钢宜采用小线能量进行焊接，这有利于减少
5、粗晶热影响区的高温停留时间，降低奥氏体的过热长晶和稳定性，从而降低热影响区的脆化程度。从A514钢的焊接CCT曲线图（如下图1）可以看出，当以曲线R2的速度进行连续冷却时，焊接接头的组织为76%的珠光体+20%的贝氏体+4%的马氏体与残余的奥氏体，HV为250；而当以曲线R5的速度进行连续冷却时，焊接接头的组织为5%的贝氏体+95%的马氏体与残余的奥氏体，HV为396.所以在保证焊接接头强度的前提下，适当地增加后热温度及保温时间，可以有效地改善焊接接头的组织，减少马氏体的生成，增加贝氏体、珠光体的含量，提高焊接接头的韧性与塑性。【4】4. 材料分析ASTM A514 GrQ 属于高屈服强度、调
6、质合金钢，具有很高的屈服强度和抗拉强度、 良好的缺口韧性及 耐腐蚀性。该钢在满足强度要求且不提高C含量的 前提下，可通过适量增加 Cr， Mo， V， Cu 等元素改善其淬透性和抗回火软化的倾向。 通过化学成分分析及模拟试验发现，该钢在焊接时容易出现裂纹或韧性下降的现象。4.1冷裂纹（1）按照国际焊接学会推荐的碳当量公式CEN=W（C）+1/6w（Mn）+1/5W（Cr)+W（Mo)+W（V）+1/15W（Ni)+W(Cu),(%)，计算，该钢的平均碳当量达0.78%，表明其焊接热影响区淬硬倾向较大，有较强的冷裂纹敏感性。一方面，该钢淬硬之后产生脆硬的马氏体组织，从金属的强度理论可知，马氏体是
7、一种粗大晶粒的脆性组织，断裂时总是消耗较低的能量，因此，焊接接头中有马氏体存在时，裂纹易于形成和扩展。另一方面，该钢淬硬倾向增大，导致位错密度大幅增加，相当于增加了许多先天性的裂纹源，在应力的作用下不断扩展，最终形成宏观裂纹。（2）氢也是引起焊接冷裂纹的主要因素之一，并且具有延迟性，尤其是残余扩散氢的影响，即在较低温度下（Ms点以下）才具有致裂作用的氢的影响。焊缝中氢的浓度达到一定值后，在应力的作用下就会产生裂纹。一般情况下，氢致裂纹出现在热影响区，但是焊接超高强钢时，由于焊缝的合金成分复杂，热影响区的组织转变可能先于焊缝，此时氢就相反地从热影响区向焊缝扩散，则延迟裂纹就可能在焊缝上产生。(3
8、)超高强钢焊接时产生冷裂纹不仅决定于钢淬硬倾向和氢的有害作用，而且还决定于焊接接头所处的应力状态，甚至在某些情况下，应力状态还起决定性的作用。焊接接头所承受的拘束应力还包括不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力和金属相变时产生的组织应力。综上所述，超高强钢焊接时，产生冷裂纹的机理在于钢种淬硬之后，受氢的诱发和促进使之脆化，在拘束应力的作用下形成了裂纹。4.2晶粒长大引起的冲击韧性下降 在焊接时，焊缝两侧的各个不同位置经历不同的焊接热循环，距离焊缝边界越近，其加热的峰值 温度越高，并且加热速度和冷却速度也越快 。 在焊 接热循环作用下，焊缝两侧母材的组织和性能发生 明显的改变。这一区域随距焊缝熔合
9、线距离的不同、 加热峰值温度的不同又可分为过热区（粗晶区）、正火区（细晶区）及不完全相变区（混合区）。在这 3 个区域中，过热区（晶粒长大严重和不完全相变区 （MA 组织存在）往往冲击韧性较差，是焊接接头的薄弱环节。高强钢都存在一个获得最佳冲击韧性的冷却时间 t8/5，t8/5 过小或过大都会使韧性下降。t8/5 过小时， 韧 性下降是由于焊缝金属全部转变为马氏体组织 ，当t8 5 增加时， 引起脆化的原因除了奥氏体晶粒粗化引 起的脆化外，主要是由于生成了上贝氏体和块状的 MA 组元，如图 1 所示。同时，ASTM A514GrQ 钢对焊接热输入是非常敏感的，也就是说，焊接热输入也是影响冲击韧
10、性的一个重要因素。【5】5焊接性试验由材料分析可知，ASTM A514 GrQ 钢冷裂敏感 性较大，为了获得良好的焊缝质量，应从两方面加以 控制：（1）控制 HAZ 的硬度值；（2）控制残余扩 散氢含量。根据 AWS D11 及ABS 规范，该钢在焊接时应采用低氢型焊条（H5 mL 100 g）。 在本试验中采 用Oerlinkon 的 TENACITO80CL （AWSA55E11018G H4）。51预热及道间温度预热是防止产生冷裂纹的有效措施之一。 它一方面具有消氢作用， 另一方面也能改善组织， 减小应 力。根据 AWS D11 Annex ，将本试验中的预热温 度设定为120160 。
11、为了避免焊缝金属中的晶粒过度长大，应严格控制道间温度，将道间温度控制在 160230 范围内。52坡口及焊道布置考虑工程的实际状况及材料的特殊性，为了减少熔敷金属的填充量，试验时横焊、立焊的坡口均 采用非对称的小坡口，如图 2 所示，焊道布置如图3所示。【5】6.减少焊接裂纹的措施（1）对厚板（20mm)和刚性大的焊接件，要严格执行焊前预热的要求；（2）严格控制工作的环境温度不低于15C；（3）根据零件的几何形状，采用相应的工艺措施，确保零件变形最小；（4）焊丝在焊前要严格烘干，使用时应存在保温筒中。采取上述措施后，零件的几何形状、焊缝质量都满足了图纸的要求，产品经各项试验达到了合格的标准。【
12、6】参考文献【1】激光焊接与切割质量控制/陈武柱著。北京：机械工业出版社，2010.6【2】沟槽蒙皮结构激光焊接应力和变形的数值模拟鄢东洋,吴爱萍 , 焦好军,宁立芹,周炼钢 ( 1. 清华大学 机械工程系,北京10 0084; 2 . 航天材料及工艺研究所, 北京 100076)【3】A514钢板在火炮中的应用 和平机械制造厂 郑永源 白锡纯 王敬华 1990.08【4】美国进口高强钢版在大型焊接结构件中的应用 张喜群 刘海欧 关鹏 佟伟（齐齐哈尔北方机器有限公司，齐齐哈尔 161000）【5】ASTM A514Gr.Q钢焊接工艺 李风波，朱春生，钱葆义，杨文华（1中远船务工程集团有限公司 技术中心，辽宁 大连116600；2南通中远船务有限公司 质量部 ，江苏 南通226006；3中远船务工程集团有限公司 质量中心 辽宁 大连116600）【6】钛合金薄板激光和钨极氩弧焊残余应力测试研究 何小东1 , 张建勋1 , 巩水利2 , 李继红1(1 西安交通大学材料科学与工程学院, 西安 710049;2 北京航空工艺研究所, 北京100024)