魏艷紅¹ 董志波¹ 劉仁培² 董祖玨³

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室浮烫，哈爾濱 150001佳珊；

2. 南京航空航天大學(xué)，南京杆荐，210016听公；

3. 機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所，哈爾濱 150080）

摘要： 焊接凝固裂紋的產(chǎn)生與否取決于兩個方面的因素诉濒，材料凝固裂紋阻力和凝固裂紋驅(qū)動力周伦，凝固裂紋阻力可以通過實(shí)驗(yàn)方法來獲得，而凝固裂紋驅(qū)動力主要采用有限元計(jì)算方法得到未荒。文中對焊接凝固裂紋的形成機(jī)理专挪、凝固裂紋驅(qū)動力曲線和焊接凝固裂紋阻力曲線的試驗(yàn)測量方法的數(shù)值模擬，以及防止凝固裂紋方法的數(shù)值模擬過程都進(jìn)行了總結(jié)茄猫。

關(guān)鍵詞：凝固裂紋狈蚤，凝固裂紋驅(qū)動力，凝固裂紋阻力划纽，數(shù)值模擬

0. *前言

   焊接凝固裂紋是焊接構(gòu)件中危害最大的缺陷之一脆侮，它的存在不僅會成為冷裂紋、再熱裂紋勇劣、疲勞裂紋等的發(fā)源地靖避，而且也可能會直接導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中破斷。凝固裂紋的形成受多種相關(guān)因素影響比默，這些因素可分為兩個不同的方面即冶金因素和力學(xué)因素幻捏。冶金因素或凝固裂紋阻力如金屬的化學(xué)成分、凝固行為、晶粒尺寸故弟、低熔共晶的形態(tài)和分布等決定蘸腾；而力學(xué)因素或驅(qū)動力則由焊接構(gòu)件的拘束條件、材料的熱物理參數(shù)又蝌、力學(xué)參數(shù)及焊接過程不均勻的溫度場等因素所建立的應(yīng)力應(yīng)變所決定鸟焊。

   為了預(yù)測和避免凝固裂紋的產(chǎn)生，需對焊接凝固裂紋的阻力和驅(qū)動力進(jìn)行研究场致。目前已經(jīng)有150

   多種不同的焊接性試驗(yàn)技術(shù)來測量各種材料的裂紋阻力藕龄，結(jié)果產(chǎn)生了許多指標(biāo)和參數(shù)來說明材料裂紋敏感性^[1]。而對于凝固裂紋驅(qū)動力籍投，雖然國內(nèi)外先后發(fā)展了一些技術(shù)來測量焊接應(yīng)變場的動態(tài)過程削蕊，但凝固過程中焊縫所受的應(yīng)力應(yīng)變量較小，相對而言測量的誤差就較大圣烤，并且測量結(jié)果是總應(yīng)變而不是對焊接凝固開裂起作用的機(jī)械應(yīng)變元丈，因此用數(shù)值模擬技術(shù)來計(jì)算和研究焊接凝固裂紋驅(qū)動力的研究日益增多。

1. 熱源模型凝固裂紋開裂機(jī)理

   長期以來對凝固裂紋形成機(jī)理提出了各種各樣的理論共胎，歸納起來主要有四種：
   
   1.1 強(qiáng)度理論

   強(qiáng)度理論認(rèn)為^[1]：在脆性溫度區(qū)間內(nèi)凛未，金屬的

   力學(xué)性能很低捅位，當(dāng)金屬的相變應(yīng)力轧葛，熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力的綜合作用超過該溫度下金屬的強(qiáng)度或塑性時，就產(chǎn)生了裂紋艇搀，強(qiáng)度理論是對金屬在高溫時力學(xué)性能（強(qiáng)度尿扯、延伸率）研究的基礎(chǔ)上提出的，并提出了脆性溫度區(qū)間的概念焰雕。后來一系列關(guān)于合金固液態(tài)力學(xué)性能的研究都說明合金在固液態(tài)時的力學(xué)性能很低是產(chǎn)生裂紋的主要原因衷笋。但強(qiáng)度理論并沒有明確指出強(qiáng)度或塑性哪個指標(biāo)更適合于作為凝固裂紋的開裂準(zhǔn)則。

   1.2 液膜理論

   液膜理論認(rèn)為：凝固后期矩屁，在晶界上包覆一層液體膜辟宗，隨著溫度降低，液膜變薄吝秕，這時收縮受阻而產(chǎn)生的應(yīng)力就會使液膜拉伸泊脐，當(dāng)應(yīng)力超過此時液膜的臨界值時就會在液膜處開裂。文獻(xiàn)［2］在晶間液體的斷裂上提出了液膜理論的數(shù)學(xué)模型烁峭，認(rèn)為液體的表面張力和厚度是開裂過程的決定因素容客。顯然，液膜理論認(rèn)為挤毯，凝固裂紋是沿著晶界上液膜進(jìn)行的并明確提出了應(yīng)力的作用蛙途。

   1.3綜合作用理論

   綜合理論認(rèn)為^[3]：凝固裂紋是在液膜極端薄，并且有少量固相搭接的時刻形成的，此時汤袭，應(yīng)力集中在固相橋上引起橋的斷裂于扳，并沿晶界上的液膜擴(kuò)展。如果固相之間搭接足夠強(qiáng)席栅，就阻止裂紋的產(chǎn)生祷濒，后來在掃描電鏡下觀察到了固相之間的斷裂。綜合理論認(rèn)為完各，寬的凝固溫度區(qū)間并不是凝固裂紋形成的充分條件勘春。凝固裂紋敏感性與晶間液體的數(shù)量和分布有很大關(guān)系，晶界上的液體越多右婚，并且呈薄膜狀分布刹埋，則裂紋敏感性越大。顯然耍才，綜合理論強(qiáng)調(diào)了固液金屬的力學(xué)行為與組織（如液膜这敬，固相橋）的相互關(guān)系，但沒有指明凝固裂紋的開裂準(zhǔn)則是強(qiáng)度起決定作用蕉朵，還是塑性起決定作用崔涂。

   1.4 “愈合作用”理論

   愈合作用理論認(rèn)為^[4]：凝固裂紋主要是由于凝固收縮不能被充分補(bǔ)縮而形成的。Feurer把晶間液體的愈合能力和凝固收縮簡化成簡單的而且是可以比較的物理量進(jìn)行比較始衅，如果“愈合”能力大于凝固收縮速度冷蚂，就不會產(chǎn)生裂紋，反之就會產(chǎn)生裂紋汛闸，顯然蝙茶，“愈合作用”理論對凝固裂紋的開裂準(zhǔn)則提出了一個新的概念。

   這四種理論在描述開裂模型上仍有較大的差異诸老，但通過進(jìn)一步對固液態(tài)金屬的冶金隆夯、力學(xué)行為與動態(tài)開裂模型的研究發(fā)現(xiàn)，無論是哪種理論别伏，都可以認(rèn)為蹄衷，形成裂紋的力學(xué)條件是一致的：焊縫金屬在凝固后期，低熔點(diǎn)組分在樹枝晶間偏析厘肮，并且在枝晶表面形成液膜或液滴愧口，這個固液相共存的脆性溫度區(qū)間即BTR，在此溫度區(qū)間內(nèi)金屬的延性很低闺酬，同時哟口，由于焊縫金屬凝固收縮，母材熱收縮和焊接結(jié)構(gòu)的外部拘束瑟捡，機(jī)械拉伸應(yīng)變將發(fā)展棠雌，當(dāng)金屬在此溫度區(qū)間由于收縮所承受的變形量超過合金具有的延性時即可產(chǎn)生凝固裂紋萨羽，反之則不產(chǎn)生凝固裂紋。

2. 焊接凝固裂紋驅(qū)動力數(shù)值模擬的研究

   由于焊接過程的復(fù)雜性旬城，為確定焊接動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變場而進(jìn)行的有關(guān)理論研究一直沒有很大的進(jìn)展钙径，其主要原因如下：材料在高溫尤其在固相線以下溫度的物理和力學(xué)性能數(shù)據(jù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足；熔池區(qū)域的熱流理論還不夠精確卒赖，而此區(qū)域是凝固裂紋產(chǎn)生的敏感地區(qū)踊嘲。雖然目前焊接熱彈塑性有限元分析已經(jīng)成功地用于焊接動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變和殘余應(yīng)力及變形的計(jì)算和預(yù)測，但是在高溫部分作了不少處理睡清，Goldak等人指出疏菩，雖然這些處理對于計(jì)算和預(yù)測焊接殘余應(yīng)力是足夠精確的，但對于分析固液混合區(qū)產(chǎn)生的焊接熱裂紋的力學(xué)過程顯然是不合適的刨仑。

   從微觀角度來說郑诺，焊接凝固裂紋過程至少包括以下幾種現(xiàn)象：相鄰晶粒邊界間的相對移動；凝固晶粒間的毛細(xì)作用（表面張力驅(qū)動）杉武；晶粒形態(tài)的演變和液膜與液滴的形狀辙诞，同時微觀裂紋過程又被宏觀過程所影響，如焊接熔池與及其附近區(qū)域的熱膨脹和收縮轻抱；熔池形狀飞涂；焊件的幾何拘束等等條件，因此祈搜，實(shí)際上很難應(yīng)用一個綜合計(jì)算模型同時包括微觀和宏觀的影響因素较店。然而微觀的裂紋過程可以通過焊接熔池附近的宏觀的應(yīng)力應(yīng)變條件來控制，這個模擬是宏觀的夭问，不能反映作用于晶粒邊界引起晶粒分離的微觀應(yīng)力泽西，但能夠反映熔池局部的應(yīng)力應(yīng)變條件。

   劉偉平等^[5]把鋁合金焊接試樣分為兩個區(qū)域缰趋，即固液共存區(qū)和固相區(qū)，建立了一維焊接凝固裂紋力學(xué)分析模型陕见，既考慮固液共存區(qū)金屬的粘彈性變形桶辉，其應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律不僅與溫度有關(guān)，而且與載荷歷史時間有關(guān)指晾，又特別注重熔點(diǎn)以下固態(tài)金屬的彈塑性變形杠尘，對于這兩個區(qū)域采用了不同的力學(xué)本構(gòu)方程，并編制了數(shù)值計(jì)算源程序理斜。研究認(rèn)為對于熔敷焊接（焊縫金屬和母材完全相同）酗裕，在焊縫中心附近產(chǎn)生了較大的應(yīng)變集中，最大拉抻應(yīng)變存在于焊縫中心伐薯，這正是焊縫中心線凝固裂紋較易形成的力學(xué)原因弥禀。并且在其它參數(shù)一定的條件下匣诉，隨著焊接電流的增加或焊接速度的減小，即隨焊接線能量的增加骏芍，凝固過程中焊縫金屬所產(chǎn)生的橫向拉伸應(yīng)變增加曾瞪，從而也會增大凝固裂紋的開裂傾向，

   吳愛萍等^[6]對Cr-Ni奧氏體鋼的凝固裂紋進(jìn)行了研究既憔，利用熱彈塑性增量理論計(jì)算了二維焊接接頭中焊縫金屬在凝固過程中的應(yīng)力應(yīng)變場分布^[26]掰儿。結(jié)果表明：焊縫金屬在凝固過程中受到橫向拉伸應(yīng)變的作用，應(yīng)變隨冷卻過程逐漸增大抚官，靠近端部的焊縫金屬凝固時受到的拉伸應(yīng)變較大而容易產(chǎn)生凝固裂紋扬跋，隨著與端部距離的增大，焊縫在凝固過程中所受的拉伸應(yīng)變逐漸減小并趨向于穩(wěn)定凌节。這一結(jié)果與實(shí)際焊接中端部容易產(chǎn)生凝固裂紋的現(xiàn)象相符合胁住。而對于橫向應(yīng)力的研究結(jié)果表明：焊縫橫向受到拉伸，由此可見焊縫在凝固過程中受到橫向拉伸作用刊咳，并且焊縫橫向拉應(yīng)力隨著電弧的遠(yuǎn)離彪见、焊縫金屬的不斷冷卻而有所增大，而緊鄰焊縫的橫向受壓區(qū)的壓應(yīng)力則逐漸變小娱挨。并得到了焊縫金屬凝固裂紋驅(qū)動力曲線余指，對焊縫金屬的凝固裂紋傾向進(jìn)行了簡單的預(yù)測。

   Feng 和David等^[7]在模擬二維模型焊接凝固裂紋時采用兩種方法來處理凝固效果：一種是采用動態(tài)單元再生技術(shù)跷坝，當(dāng)單元溫度加熱到超過固液區(qū)上限溫度時酵镜，把它從有限元模型中除掉，而當(dāng)溫度冷卻到固液區(qū)上限溫度后又把它加回到模型中去柴钻，新加入的單元為無應(yīng)力應(yīng)變自由狀態(tài)即把單元進(jìn)行“退火”淮韭，新加入單元的初始溫度被設(shè)定為固液區(qū)的上限溫度，并且把凝固收縮轉(zhuǎn)化成線收縮率淫蜕，然后再到線膨脹系數(shù)中去恐氓；另一種是采用修改凝固溫度區(qū)間的材料本構(gòu)關(guān)系來處理凝固效果，這個算法建立在增量熱椀芐員竟估礪鄣幕∩霞缂欤扰咽！⒌院退芐雜Ρ渥魑刺淞浚懇桓鍪奔洳獎桓攏鋇ピ露鵲陀詮桃呵舷尬露仁比ピ忻懇桓齷值閔系乃杏ατΡ浞至拷榱闩闪希巳繁５痰氖樟玻庵炙惴ㄒ殘枰峁┬薷牡牟牧細(xì)斬染卣蟆?/FONT>Feng認(rèn)為第二種處理方法對于解決凝固過程的特性更加有效滑攘。通過模擬計(jì)算得到了焊縫金屬凝固裂紋驅(qū)動力曲線腊匆，如圖1所示，可以看到距離焊件起始邊緣越近超璧，凝固裂紋的機(jī)械驅(qū)動力就越大隙趣，焊縫越容易開裂卖织。并且同時研究了拘束條件，起弧位置等條件對凝固裂紋驅(qū)動力的影響港遇，F(xiàn)eng認(rèn)為拘束條件越苛刻楞艾，起弧位置距離焊件邊緣越近，凝固裂紋驅(qū)動力就越大龄广。

   圖1 焊縫不同位置處的驅(qū)動力曲線

   　

   Dye等^[8]對鎳基合金的二維模型焊接性進(jìn)行了深入的研究硫眯，認(rèn)為凝固過程中，如果在脆性溫度區(qū)間內(nèi)焊縫中心金屬受到正的橫向拉伸應(yīng)力作用择同，凝固裂紋就會產(chǎn)生两入。模擬結(jié)果表明凝固裂紋在低速焊和高熱輸入情況下容易產(chǎn)生，并且試樣寬度對凝固裂紋能否產(chǎn)生起著重要的影響敲才，同時強(qiáng)調(diào)了焊接熔池金屬應(yīng)力應(yīng)變歸零對模擬結(jié)果有很大的影響^[25]裹纳。

   魏艷紅等^[9]采用二維模型對不銹鋼的凝固裂紋問題進(jìn)行了研究，利用單元再生方法消除了焊縫金屬凝固過程因素即熔池的變形紧武、焊縫金屬初始溫度的變化和凝固收縮對焊縫應(yīng)力應(yīng)變場的影響剃氧，又研究了固液態(tài)金屬的流變性能。研究表明：在溫度高于固液區(qū)上限溫度時阻星，固液共存區(qū)的金屬表現(xiàn)為彈性朋鞍，粘彈性和粘塑性三種變形特征，當(dāng)溫度降低到低于固液區(qū)上限溫度時變形主要以彈性變形為主妥箕，粘彈性變形和粘塑性變形較小滥酥，固液態(tài)金屬的粘性特征不明顯，文中認(rèn)為在焊接條件下涮婿，冷卻速度快棍丽，固液態(tài)金屬存在時間較短，因此可以忽略材料的粘性特性掠佛，認(rèn)為它的應(yīng)力慈翔、應(yīng)變同樣服從熱彈塑性理論。并研究了熔池的變形和凝固收縮對應(yīng)力應(yīng)變場的影響川痛，計(jì)算結(jié)果表明它們對熔池尾部的應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展變化有較大的影響耽坤，如圖2所示《寂冢可以看出當(dāng)沒有采用單元再生方法時，熔池內(nèi)有較大的壓應(yīng)力植碳，這是由于焊接構(gòu)件當(dāng)作了連續(xù)的固體而沒有考慮熔池液體金屬作用的原故听谓，如圖所示。

   圖2凝固收縮對機(jī)械應(yīng)變的影響

3. 焊接凝固裂紋阻力實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬

   目前研究材料焊接凝固裂紋阻力的試驗(yàn)方法很多雳唧，這些方法歸納起來可分為自拘束和外部拘束兩種試驗(yàn)技術(shù)血庐。自拘束試驗(yàn)依靠于夾具和試樣本身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拘束仿村，并且在試驗(yàn)結(jié)果中很難去除材料因素的影響，因此自拘束試驗(yàn)不能定量分析材料的焊接性兴喂。而外部拘束試驗(yàn)采用一個外部的應(yīng)力或應(yīng)變量蔼囊，這個量很容易作為定量分析凝固裂紋的指標(biāo)，并且與裂紋相關(guān)的冶金和成分因素能夠從機(jī)械因素中分離出來衣迷，因此國內(nèi)外應(yīng)用最多的是外部拘束試驗(yàn)畏鼓。如可調(diào)拘束試驗(yàn)方法，Sigmajig試驗(yàn)壶谒，MISO和Houldcroft實(shí)驗(yàn)等方法云矫。國內(nèi)外學(xué)者對試驗(yàn)方法的數(shù)值模擬工作也進(jìn)行了一定的研究。

   Feng 利用非線性彈簧單元對Sigmajig試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬汗菜。Sigmajig實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果表明：在低速焊接情況下让禀，只有在172MNm^-2預(yù)應(yīng)力下，焊縫處才產(chǎn)生橫向的拉伸應(yīng)力陨界，而其它兩種條件產(chǎn)生壓縮應(yīng)力巡揍，因此在研究的條件下，只有在172M／m²預(yù)應(yīng)力情況下才產(chǎn)生凝固裂紋菌瘪。

   Zacharia等^[10]利用熱機(jī)耦合模型研究了316型不銹鋼的Sigmajig實(shí)驗(yàn)奸桃，模擬結(jié)果表明在焊接熔池后方存在壓縮應(yīng)力區(qū)，這將防止熔池金屬尾部開裂陡顶，而在熔池的后方焊縫中心處產(chǎn)生拉伸應(yīng)力村围，如果材料不能提供足夠的塑性應(yīng)變來抵消這部分應(yīng)力，裂紋可能在這個位置產(chǎn)生段鲜。并采用頻閃觀測器跟蹤監(jiān)視了焊接時裂紋的啟裂和擴(kuò)展過程缅煎，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，受外部拘束的全焊透焊縫中的中心線裂紋在離開熔池的部位開裂潦寂。

   Masajazu等^[11]利用與溫度相關(guān)的界面單元模擬了Houldcroft實(shí)驗(yàn)督注。研究表明，當(dāng)從窄邊開始焊接時捡路，在焊接速度和熱輸入量較大時芬吸，裂紋長度很大，而從寬邊開始焊接時悍蔫，得到相反的結(jié)果奶膘。

   針對焊縫終端裂紋，Yuzuru Fujida 進(jìn)行了有限元分析盯桦，分析表明慈俯，造成焊道終端裂紋的主要原因是在焊件的末端發(fā)生了應(yīng)力重新分布時造成了相對較高的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變速率，采用收弧板拥峦、外部力學(xué)拘束或外部熱源造成的熱變形贴膘，減小板端的位移卖子，能夠避免該類裂紋的發(fā)生^[12]。Karlsson刑峡，唐慕堯等的研究也得出了相似的結(jié)論洋闽。

   吳愛萍等人利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了施加輔助冷，熱源改變焊接溫度場突梦，減少焊縫所受的拉伸應(yīng)變的規(guī)律诫舅，研究表明，輔助熱源的能量密度及施加位置合適時阳似，可以有效地降低拉伸應(yīng)變骚勘，防止凝固裂紋產(chǎn)生。施加輔助冷熱源也可以降低焊縫所受的拉伸應(yīng)變撮奏，但效果不如輔助熱源顯著俏讹。

   劉偉平進(jìn)行了隨焊碾壓防止焊接熱裂紋的三維有限元分析，其后楊愉平和郭紹慶應(yīng)用彈塑性理論及有限元方法模擬了隨焊激冷防止焊接熱裂紋的過程珠校，計(jì)算結(jié)果表明幸园，隨焊激冷能夠降低處于BTR的焊縫和熱影響區(qū)金屬所承受的焊接致裂應(yīng)變，從而降低焊接熱裂紋傾向络蟋。

   隨著計(jì)算機(jī)和模擬技術(shù)的快速發(fā)展谐绽，對于焊接凝固過程的模擬已不僅僅停留在宏觀應(yīng)力應(yīng)變場的模擬上，正向模擬凝固微觀特性如中心線晶粒邊界形成络跷，固液共存區(qū)間內(nèi)固液相變化^[13]绑僵，相轉(zhuǎn)變^[14]，晶粒結(jié)構(gòu)和晶粒長大^[15]等方向發(fā)展俺阻。Matsuda等人為了研究不銹鋼的焊接凝固裂紋現(xiàn)象提出了一個二維的樹枝晶生長模型池致。研究表明，在液相線溫度以下固相部分迅速增加督靶，因此固相橋的形成溫度非常接近液相線溫度剥犯，并且殘余的液相范圍被較長的固相橋所限制，這些模擬結(jié)果與實(shí)際的凝固顯微結(jié)構(gòu)很接近铃挠，并同時研究了焊接凝固過程的脆性溫度區(qū)間邓星，認(rèn)為提出的二維模型對于理解焊縫的凝固現(xiàn)象很有用。

   因此应结，對于焊接凝固裂紋數(shù)值模擬的研究刨疼，正不斷地向三維模型，微觀特性的研究方向發(fā)展鹅龄，這樣才能更加準(zhǔn)確地預(yù)測焊接凝固裂紋的開裂傾向币狠。

4. 結(jié)束語

對于各種工程用合金，焊接凝固裂紋一直以來是一個嚴(yán)重而持久的問題砾层，它被列為21世紀(jì)的十大挑戰(zhàn)之一′雒啵現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使人們不斷掌握焊接凝固裂紋的形成機(jī)理，掌握測試焊接凝固裂紋阻力曲線的試驗(yàn)方法肛炮，并利用有限元技術(shù)準(zhǔn)確地模擬凝固裂紋驅(qū)動力曲線止吐，從而更有效地對焊接凝固裂紋開裂傾向進(jìn)行預(yù)測，制定出不出現(xiàn)焊接凝固裂紋的工藝條件侨糟，將對焊接生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用碍扔。

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