鄧沖

摘 要：金屬材料的焊接本身具有一定的難度，這主要是由于金屬本身的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)決定的，在承受突發(fā)的高溫時(shí)，外界溫度帶來(lái)的大梯度效應(yīng)導(dǎo)熱效果會(huì)造成焊接部分出現(xiàn)組織力的變化，同時(shí)造成大梯度的應(yīng)力保育問(wèn)題，最終出現(xiàn)在各種作用復(fù)雜的耦合作用區(qū)，給焊接接頭組織分析成為難題。本文就根據(jù)金屬焊接過(guò)程中出現(xiàn)的組織性能變化情況，對(duì)其影響進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)本領(lǐng)域值得關(guān)注的前沿基礎(chǔ)研究方向加以探索，希望能夠給業(yè)內(nèi)人士提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：金屬焊接性;溫度梯度;高能束焊接;焊接接頭組織性能

中圖分類號(hào)：TG40 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）19-0076-02

0 引言

近年來(lái)，中國(guó)特色社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的成果可謂是十分豐碩，工業(yè)在其中發(fā)揮的作用更是無(wú)可替代，金屬焊接技術(shù)對(duì)于工業(yè)發(fā)展以及一些工程施工的作用更無(wú)異于中流砥柱。因此，我們有理由也有必要對(duì)金屬焊接的一系列問(wèn)題進(jìn)行研究和分析，但是在實(shí)際的研究工作中可以發(fā)現(xiàn)，目前我國(guó)對(duì)金屬焊接性能的研究相對(duì)還是比較簡(jiǎn)單，在焊接性能不均勻性和尺度效應(yīng)方面存在研究的不足之處。

1 組織性能的不均勻性及其影響

早在上個(gè)世紀(jì)末期，世界范圍內(nèi)的業(yè)內(nèi)專家和學(xué)者就已經(jīng)開啟了金屬焊接結(jié)構(gòu)的研究，他們分別從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了深入探討：一是金屬焊接結(jié)構(gòu)的斷裂韌性;二是接頭匹配硬度等，并在此基礎(chǔ)上還將目光放在了焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)的上面。目前來(lái)看，二十多年的研究確實(shí)取得了一定的成果，有很多科研單位和研究所都在這方面取得了突破性的研究成果，比如說(shuō)德國(guó)材料研究所、日本焊接研究所等等，就在焊接接頭組織的斷裂情況這個(gè)問(wèn)題上進(jìn)行了深入的研究。而縱觀國(guó)內(nèi)的研究情況，在1980年前后焊接接頭的軟夾硬、等匹配模型就已經(jīng)被應(yīng)用開來(lái)，焊接接頭的力學(xué)行為研究工作取得了突出的研究成果。不僅如此，縱觀我國(guó)發(fā)展歷程來(lái)看，哈工大、哈焊所等各大單位也做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)，這些單位的研究工作在焊接強(qiáng)度理論建設(shè)方面發(fā)揮了不可替代的積極作用，他們借助多尺度關(guān)聯(lián)分析法對(duì)焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)問(wèn)題加以分析，同時(shí)這個(gè)問(wèn)題也值得世界范圍內(nèi)焊接模擬人員進(jìn)行共同的研究分析。研究重心集中在如何解決焊接區(qū)的組織與力學(xué)不均勻性問(wèn)題，注意到焊接過(guò)程是以熱源作用下的局部非線性焊接區(qū)在大部分彈性非焊接區(qū)中隨熱源移動(dòng)而移動(dòng)為特征的，將細(xì)化熱源作用區(qū)域的網(wǎng)格而其他區(qū)域保持粗網(wǎng)格，熱源移動(dòng)過(guò)后的細(xì)網(wǎng)格區(qū)域又恢復(fù)到粗網(wǎng)格的自適應(yīng)網(wǎng)格方法能反映熱源作用時(shí)的大梯度溫度和非線性特征，又能減少整個(gè)計(jì)算模型的單元數(shù)，既保證計(jì)算精度又顯著提高計(jì)算速度。焊縫和熱傳導(dǎo)區(qū)域以外的部分還是比較多，幾乎占據(jù)整個(gè)焊接件的九成以上，同時(shí)這個(gè)熱影響區(qū)并不是固定不變的，很容易受到一些因素的影響而出現(xiàn)線性、彈性變化。只有對(duì)這部分按照子結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，模型的計(jì)算量才會(huì)降低，同時(shí)計(jì)算的難度和所需要的時(shí)間都會(huì)發(fā)生一定的變化。在二十一世紀(jì)這個(gè)信息化技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的時(shí)代下，數(shù)值模擬技術(shù)也在不斷的成熟當(dāng)中，很容易在一些焊接力學(xué)研究中發(fā)揮積極的作用。當(dāng)然這也不代表數(shù)值模擬技術(shù)就已經(jīng)完全普及開來(lái)，很多研究單位目前的主要研究方法和研究對(duì)象還是停留在過(guò)去階段，集中在強(qiáng)度匹配對(duì)斷裂力學(xué)驅(qū)動(dòng)力參量如J積分、裂紋張開位移的影響方面。

相關(guān)研究人員在對(duì)焊接接頭數(shù)值模型進(jìn)行構(gòu)建的過(guò)程中，往往都把計(jì)算機(jī)模型假設(shè)成為由以下幾個(gè)部分一起構(gòu)成：一是焊縫;二是基體材料。亦或是把熱影響區(qū)假設(shè)成均衡的，顯然這與當(dāng)前的狀況存在著較大的區(qū)別，并且焊接數(shù)值模擬屬于瞬態(tài)熱力組織的環(huán)節(jié)，這樣在實(shí)際計(jì)算期間會(huì)花費(fèi)很多的時(shí)間和精力;針對(duì)激光深熔焊接等相關(guān)焊接來(lái)說(shuō)，無(wú)論是焊縫還是熱影響區(qū)尺寸均要保持在不大于1mm甚至更小，在進(jìn)行三維有限元計(jì)算期間應(yīng)當(dāng)不斷完善相關(guān)網(wǎng)格，只有這樣做才能使得相關(guān)大溫度梯度以及大梯度應(yīng)力變化充分的彰顯出來(lái)。

關(guān)于焊接接頭的細(xì)觀損傷行為的研究，史耀武等人研究表明，結(jié)構(gòu)鋼及其焊縫金屬的初始斷裂應(yīng)變受到應(yīng)力三軸度的強(qiáng)烈影響;程光旭提出了材料疲勞損傷延性耗散模型，定義了一種新的疲勞損傷變量，并用之于焊接區(qū)低周疲勞損傷研究，分別建立了焊縫、熱影響區(qū)和母材金屬的疲勞損傷演化方程;左建政推導(dǎo)出塑性可壓縮情況下的韌性損傷本構(gòu)方程，建立了有限變形下彈塑性韌性損傷的有限元?jiǎng)偠汝嚪匠?，并提出一種利用單向拉伸試驗(yàn)測(cè)量損傷變量的新方法，最后對(duì)熱模擬焊接接頭近縫區(qū)和馬氏體/鐵素體雙向鋼進(jìn)行了韌性損傷的細(xì)觀力學(xué)分析;王鐵軍從不可逆熱力學(xué)出發(fā)，建立了一般韌性損傷模型，同時(shí)利用掃描電鏡，對(duì)熱模擬近縫區(qū)及其母材的微結(jié)構(gòu)損傷與斷裂過(guò)程，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)連續(xù)跟蹤試驗(yàn)研究，還利用了一種交流電位損傷測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)得母材以及模擬熱影響區(qū)的韌性損傷演化規(guī)律，得出相應(yīng)的損傷演化方程，最終探討了應(yīng)力三軸度對(duì)損傷演化和破壞的影響。

2 值得關(guān)注的前沿基礎(chǔ)研究方向

2.1 焊接接頭組織力學(xué)性能及其影響表征

經(jīng)過(guò)激光的深融焊接處理以后，被焊接的金屬材料會(huì)在瞬間被激光束攜帶的高溫所熔化甚至是氣化，而在冷卻過(guò)程中又會(huì)快速的降溫，形成一個(gè)巨大的溫度梯度，這種溫度因素的變化在金屬材料力學(xué)理論的作用下，會(huì)產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力變化導(dǎo)致金屬材料發(fā)生形變。在實(shí)際的操作過(guò)程中，經(jīng)過(guò)焊接以后原本對(duì)稱的形狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的焊接金屬件，也會(huì)發(fā)生焊接區(qū)域形變的情況，同時(shí)大梯度的殘余應(yīng)力也是無(wú)法避免的擁有三維非線性的特點(diǎn)。對(duì)大梯度組織性能的非線性特征和表征研究工作，主要的研究方向集中在對(duì)組織性能分布不均勻這方面，根據(jù)焊接縫和HAZ組織性能的測(cè)定數(shù)據(jù)，對(duì)非線性大梯度特征進(jìn)行描述。和傳統(tǒng)的弧焊比較起來(lái)，激光深融焊接的熱量非常集中的作用在某一個(gè)焊接縫處，所以說(shuō)其呈現(xiàn)出來(lái)的性能也就有所不同。比如說(shuō)，激光焊縫的晶粒出現(xiàn)細(xì)化現(xiàn)象，同時(shí)整體結(jié)構(gòu)的顯微硬度會(huì)比原本的金屬材料更高，更重要的是基本不存在明顯的熱影響區(qū)，焊縫組織也不會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量變化。同時(shí)，焊接縫的縱向殘余應(yīng)力在熔池內(nèi)以接近材料屈服限度的拉伸應(yīng)力形式存在，在接近熔池邊緣的時(shí)候急劇降低，所以殘余的焊接應(yīng)力更大。怎樣才能準(zhǔn)確的描述和計(jì)算大梯度殘余應(yīng)力的焊縫力學(xué)性能，是我們?cè)诮窈蟮墓ぷ髦斜仨氁芯康闹匾n題之一。

2.2 焊接瞬態(tài)應(yīng)力與變形的多體耦合研究

我們都知道，如果想要對(duì)相關(guān)大梯度應(yīng)力演化環(huán)節(jié)以及形成機(jī)理進(jìn)行深度剖析，那么就要將更多的時(shí)間和精力投入到對(duì)小孔形成機(jī)理以及熔池流動(dòng)狀態(tài)的分析之中，現(xiàn)階段比較可行的手段是結(jié)合實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算開展相應(yīng)的模擬工作，對(duì)小孔、熔池和母材的耦合作用加以分析，但不難看出，這一過(guò)程具有較大的難度?，F(xiàn)階段來(lái)說(shuō)，流固耦合算法得到了快速的發(fā)展和進(jìn)步，但是這種算法和焊接技術(shù)研究工作的結(jié)合還沒(méi)有與金屬焊接方面的研究?jī)?nèi)容結(jié)合起來(lái)，所以說(shuō)我們有必要有理由對(duì)小孔、焊接工藝以及熔池流動(dòng)情況進(jìn)行計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上對(duì)溫度場(chǎng)加以明確。除了要做好以上工作以外，還應(yīng)當(dāng)把溫度場(chǎng)當(dāng)作相應(yīng)的負(fù)載，對(duì)變形場(chǎng)應(yīng)力做好計(jì)算工作，為可以在最短的時(shí)間內(nèi)形成機(jī)理提供應(yīng)有的保障。和焊接件互相作用的一些外部設(shè)備所產(chǎn)生的壓緊力和摩擦力等等，也不是一成不變的，比如說(shuō)工作臺(tái)的松緊程度、夾具的夾緊力度等等都會(huì)讓金屬材料受到的作用力持續(xù)不斷的影響，所以說(shuō)我們有必要從外作用體的角度出發(fā)，根據(jù)其對(duì)金屬焊接材料的不同約束作用，對(duì)弧焊的應(yīng)力狀態(tài)和變形情況進(jìn)行分析，同時(shí)仔細(xì)的研究外部作用力的動(dòng)態(tài)拘束情況。站在客觀的立場(chǎng)來(lái)講，動(dòng)態(tài)拘束所產(chǎn)生的干擾千變?nèi)f化。之所以這樣說(shuō)是因?yàn)槌艘獙?duì)弧焊的應(yīng)力狀況以及變形狀況產(chǎn)生作用以外，還會(huì)使一些大型薄壁件焊接質(zhì)量發(fā)生巨大的變化。除此之外，激光主要應(yīng)用在一些小型金屬構(gòu)件的焊接工作中，其拘束效應(yīng)如果不能得到有效解決，那么經(jīng)激光焊接的小型微型金屬材料的產(chǎn)品質(zhì)量就無(wú)從得到保障，怎樣才能科學(xué)的拘束焊件、如何降低激光焊接變形的問(wèn)題是我們?cè)诮窈蟮陌l(fā)展中必須要研究的問(wèn)題。

2.3 焊接接頭的力學(xué)行為多尺度效應(yīng)研究

從客觀的角度出發(fā)來(lái)看，無(wú)論是針對(duì)焊接接頭還是熱影響區(qū)自身來(lái)說(shuō)，均存在著與之相匹配的尺度效應(yīng)，像熱影響區(qū)的大小、焊接接頭的強(qiáng)度匹配等一系列問(wèn)題，均屬于尺度效應(yīng)的一部分。尤其是激光深熔焊接小孔模型計(jì)算工作中更是如此，其所有的焊接基本都是在微米級(jí)甚至是更小的單位下進(jìn)行計(jì)算的，而以下幾個(gè)方面的應(yīng)力計(jì)算以及變形計(jì)算均是值得推敲的內(nèi)容：一是小孔;二是熔池;三是焊縫。而為了達(dá)到這一目標(biāo)，我們必須要根據(jù)斷裂力學(xué)的相關(guān)理論、結(jié)合焊接接頭的力學(xué)行為，進(jìn)行多尺度耦合計(jì)算工作，從而確認(rèn)應(yīng)力大小等等，一些狹窄焊縫的激光深熔焊接接頭數(shù)值模擬技術(shù)具有一定的難度，為了更好的進(jìn)行計(jì)算分析，我們通常借助多尺度有限元法開展相應(yīng)的調(diào)查工作。站在客觀的立場(chǎng)來(lái)講，和有限單元法進(jìn)行詳細(xì)比較可以發(fā)現(xiàn)，多尺度有限元法與其最為顯著的差異就在于基函數(shù)不同。之所以這樣說(shuō)是因?yàn)橛邢迒卧ɑ瘮?shù)坐標(biāo)往往是在充分結(jié)合單元節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上加以明確的，而多尺度有限元法也是在單元上求解和簡(jiǎn)化橢圓邊界值進(jìn)行基函數(shù)的構(gòu)造。因此，一般情況下對(duì)高度非均勻的激光深融焊接接頭而言，利用多尺度有限元法往往能夠獲取到最為精準(zhǔn)的研究結(jié)果，能夠避免過(guò)去的有限單元法計(jì)算難度大、網(wǎng)格過(guò)密的問(wèn)題，只需要在大尺度上進(jìn)行計(jì)算，就能夠得到過(guò)去的有限元法以小尺度進(jìn)行計(jì)算的精確結(jié)果，這顯然有助于降低計(jì)算所需要的時(shí)間，保證計(jì)算的效率。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，金屬材料的焊接工作具有突出的研究?jī)r(jià)值，目前來(lái)看各種焊接技術(shù)都是通過(guò)高溫促使金屬構(gòu)件熔化完成焊接目標(biāo)，二者不可避免的會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的溫度變化，而隨之產(chǎn)生的大梯度溫度分布、大梯度塑性形變可以說(shuō)很難消除。目前，我國(guó)對(duì)于金屬焊接性能的不均勻性及其尺度效應(yīng)還不夠到位，因此在今后的工作中我們有必要對(duì)此課題進(jìn)行進(jìn)一步的研究和分析。

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