邓冲

摘 要：金属材料的焊接本身具有一定的难度，这主要是由于金属本身的物理性质和化学性质决定的，在承受突发的高温时，外界温度带来的大梯度效应导热效果会造成焊接部分出现组织力的变化，同时造成大梯度的应力保育问题，最终出现在各种作用复杂的耦合作用区，给焊接接头组织分析成为难题。本文就根据金属焊接过程中出现的组织性能变化情况，对其影响进行了分析，同时对本领域值得关注的前沿基础研究方向加以探索，希望能够给业内人士提供一定的参考。

关键词：金属焊接性;温度梯度;高能束焊接;焊接接头组织性能

中图分类号：TG40 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）19-0076-02

0 引言

近年来，中国特色社会主义市场经济发展的成果可谓是十分丰硕，工业在其中发挥的作用更是无可替代，金属焊接技术对于工业发展以及一些工程施工的作用更无异于中流砥柱。因此，我们有理由也有必要对金属焊接的一系列问题进行研究和分析，但是在实际的研究工作中可以发现，目前我国对金属焊接性能的研究相对还是比较简单，在焊接性能不均匀性和尺度效应方面存在研究的不足之处。

1 组织性能的不均匀性及其影响

早在上个世纪末期，世界范围内的业内专家和学者就已经开启了金属焊接结构的研究，他们分别从以下几个方面进行了深入探讨：一是金属焊接结构的断裂韧性;二是接头匹配硬度等，并在此基础上还将目光放在了焊接结构力学的上面。目前来看，二十多年的研究确实取得了一定的成果，有很多科研单位和研究所都在这方面取得了突破性的研究成果，比如说德国材料研究所、日本焊接研究所等等，就在焊接接头组织的断裂情况这个问题上进行了深入的研究。而纵观国内的研究情况，在1980年前后焊接接头的软夹硬、等匹配模型就已经被应用开来，焊接接头的力学行为研究工作取得了突出的研究成果。不仅如此，纵观我国发展历程来看，哈工大、哈焊所等各大单位也做出了应有的贡献，这些单位的研究工作在焊接强度理论建设方面发挥了不可替代的积极作用，他们借助多尺度关联分析法对焊接接头的微观结构问题加以分析，同时这个问题也值得世界范围内焊接模拟人员进行共同的研究分析。研究重心集中在如何解决焊接区的组织与力学不均匀性问题，注意到焊接过程是以热源作用下的局部非线性焊接区在大部分弹性非焊接区中随热源移动而移动为特征的，将细化热源作用区域的网格而其他区域保持粗网格，热源移动过后的细网格区域又恢复到粗网格的自适应网格方法能反映热源作用时的大梯度温度和非线性特征，又能减少整个计算模型的单元数，既保证计算精度又显著提高计算速度。焊缝和热传导区域以外的部分还是比较多，几乎占据整个焊接件的九成以上，同时这个热影响区并不是固定不变的，很容易受到一些因素的影响而出现线性、弹性变化。只有对这部分按照子结构进行处理，模型的计算量才会降低，同时计算的难度和所需要的时间都会发生一定的变化。在二十一世纪这个信息化技术及计算机技术高度发达的时代下，数值模拟技术也在不断的成熟当中，很容易在一些焊接力学研究中发挥积极的作用。当然这也不代表数值模拟技术就已经完全普及开来，很多研究单位目前的主要研究方法和研究对象还是停留在过去阶段，集中在强度匹配对断裂力学驱动力参量如J积分、裂纹张开位移的影响方面。

相关研究人员在对焊接接头数值模型进行构建的过程中，往往都把计算机模型假设成为由以下几个部分一起构成：一是焊缝;二是基体材料。亦或是把热影响区假设成均衡的，显然这与当前的状况存在着较大的区别，并且焊接数值模拟属于瞬态热力组织的环节，这样在实际计算期间会花费很多的时间和精力;针对激光深熔焊接等相关焊接来说，无论是焊缝还是热影响区尺寸均要保持在不大于1mm甚至更小，在进行三维有限元计算期间应当不断完善相关网格，只有这样做才能使得相关大温度梯度以及大梯度应力变化充分的彰显出来。

关于焊接接头的细观损伤行为的研究，史耀武等人研究表明，结构钢及其焊缝金属的初始断裂应变受到应力三轴度的强烈影响;程光旭提出了材料疲劳损伤延性耗散模型，定义了一种新的疲劳损伤变量，并用之于焊接区低周疲劳损伤研究，分别建立了焊缝、热影响区和母材金属的疲劳损伤演化方程;左建政推导出塑性可压缩情况下的韧性损伤本构方程，建立了有限变形下弹塑性韧性损伤的有限元刚度阵方程，并提出一种利用单向拉伸试验测量损伤变量的新方法，最后对热模拟焊接接头近缝区和马氏体/铁素体双向钢进行了韧性损伤的细观力学分析;王铁军从不可逆热力学出发，建立了一般韧性损伤模型，同时利用扫描电镜，对热模拟近缝区及其母材的微结构损伤与断裂过程，进行了动态连续跟踪试验研究，还利用了一种交流电位损伤测量系统，测得母材以及模拟热影响区的韧性损伤演化规律，得出相应的损伤演化方程，最终探讨了应力三轴度对损伤演化和破坏的影响。

2 值得关注的前沿基础研究方向

2.1 焊接接头组织力学性能及其影响表征

经过激光的深融焊接处理以后，被焊接的金属材料会在瞬间被激光束携带的高温所熔化甚至是气化，而在冷却过程中又会快速的降温，形成一个巨大的温度梯度，这种温度因素的变化在金属材料力学理论的作用下，会产生不均匀的应力变化导致金属材料发生形变。在实际的操作过程中，经过焊接以后原本对称的形状结构稳定的焊接金属件，也会发生焊接区域形变的情况，同时大梯度的残余应力也是无法避免的拥有三维非线性的特点。对大梯度组织性能的非线性特征和表征研究工作，主要的研究方向集中在对组织性能分布不均匀这方面，根据焊接缝和HAZ组织性能的测定数据，对非线性大梯度特征进行描述。和传统的弧焊比较起来，激光深融焊接的热量非常集中的作用在某一个焊接缝处，所以说其呈现出来的性能也就有所不同。比如说，激光焊缝的晶粒出现细化现象，同时整体结构的显微硬度会比原本的金属材料更高，更重要的是基本不存在明显的热影响区，焊缝组织也不会出现质量变化。同时，焊接縫的纵向残余应力在熔池内以接近材料屈服限度的拉伸应力形式存在，在接近熔池边缘的时候急剧降低，所以残余的焊接应力更大。怎样才能准确的描述和计算大梯度残余应力的焊缝力学性能，是我们在今后的工作中必须要研究的重要课题之一。

2.2 焊接瞬态应力与变形的多体耦合研究

我们都知道，如果想要对相关大梯度应力演化环节以及形成机理进行深度剖析，那么就要将更多的时间和精力投入到对小孔形成机理以及熔池流动状态的分析之中，现阶段比较可行的手段是结合实验以及计算开展相应的模拟工作，对小孔、熔池和母材的耦合作用加以分析，但不难看出，这一过程具有较大的难度。现阶段来说，流固耦合算法得到了快速的发展和进步，但是这种算法和焊接技术研究工作的结合还没有与金属焊接方面的研究内容结合起来，所以说我们有必要有理由对小孔、焊接工艺以及熔池流动情况进行计算，并在此基础上对温度场加以明确。除了要做好以上工作以外，还应当把温度场当作相应的负载，对变形场应力做好计算工作，为可以在最短的时间内形成机理提供应有的保障。和焊接件互相作用的一些外部设备所产生的压紧力和摩擦力等等，也不是一成不变的，比如说工作台的松紧程度、夹具的夹紧力度等等都会让金属材料受到的作用力持续不断的影响，所以说我们有必要从外作用体的角度出发，根据其对金属焊接材料的不同约束作用，对弧焊的应力状态和变形情况进行分析，同时仔细的研究外部作用力的动态拘束情况。站在客观的立场来讲，动态拘束所产生的干扰千变万化。之所以这样说是因为除了要对弧焊的应力状况以及变形状况产生作用以外，还会使一些大型薄壁件焊接质量发生巨大的变化。除此之外，激光主要应用在一些小型金属构件的焊接工作中，其拘束效应如果不能得到有效解决，那么经激光焊接的小型微型金属材料的产品质量就无从得到保障，怎样才能科学的拘束焊件、如何降低激光焊接变形的问题是我们在今后的发展中必须要研究的问题。

2.3 焊接接头的力学行为多尺度效应研究

从客观的角度出发来看，无论是针对焊接接头还是热影响区自身来说，均存在着与之相匹配的尺度效应，像热影响区的大小、焊接接头的强度匹配等一系列问题，均属于尺度效应的一部分。尤其是激光深熔焊接小孔模型计算工作中更是如此，其所有的焊接基本都是在微米级甚至是更小的单位下进行计算的，而以下几个方面的应力计算以及变形计算均是值得推敲的内容：一是小孔;二是熔池;三是焊缝。而为了达到这一目标，我们必须要根据断裂力学的相关理论、结合焊接接头的力学行为，进行多尺度耦合计算工作，从而确认应力大小等等，一些狭窄焊缝的激光深熔焊接接头数值模拟技术具有一定的难度，为了更好的进行计算分析，我们通常借助多尺度有限元法开展相应的调查工作。站在客观的立场来讲，和有限单元法进行详细比较可以发现，多尺度有限元法与其最为显著的差异就在于基函数不同。之所以這样说是因为有限单元法基函数坐标往往是在充分结合单元节点的基础上加以明确的，而多尺度有限元法也是在单元上求解和简化椭圆边界值进行基函数的构造。因此，一般情况下对高度非均匀的激光深融焊接接头而言，利用多尺度有限元法往往能够获取到最为精准的研究结果，能够避免过去的有限单元法计算难度大、网格过密的问题，只需要在大尺度上进行计算，就能够得到过去的有限元法以小尺度进行计算的精确结果，这显然有助于降低计算所需要的时间，保证计算的效率。

3 结语

总而言之，金属材料的焊接工作具有突出的研究价值，目前来看各种焊接技术都是通过高温促使金属构件熔化完成焊接目标，二者不可避免的会带来严重的温度变化，而随之产生的大梯度温度分布、大梯度塑性形变可以说很难消除。目前，我国对于金属焊接性能的不均匀性及其尺度效应还不够到位，因此在今后的工作中我们有必要对此课题进行进一步的研究和分析。

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