大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接变形和应力分析

第16卷第5期精密成形工程
2024年5月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING69
大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光
焊接变形和应力分析
米大为1，郭宝超1，李天庆2*
（1.上海第一机床厂有限公司，上海 201308；2.江苏大学，江苏镇江 212013）
摘要：目的研究大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接，优化结构设计和工艺设计。

方法建立大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接数值分析模型，通过数值模拟的方法，定量分析大厚度奥氏体不锈钢筒体焊接变形和应力。

结果零件下部38 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.2 mm；零件下部60 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为2.0 mm；零件中部60 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.9 mm；零件上部
60 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.8 mm。

填丝激光焊接轴向收缩量为0.55 mm。

焊接残余应力最
大值在450 MPa左右，应力主要分布在焊缝附近。

热处理后，焊接残余应力都有明显降低，最大残余应力从450 MPa左右降低到200 MPa左右，焊接残余应力范围存在一定程度减小；焊接残余变形变化较小，热处理后某些位置的变形略微有所增大。

结论模拟结果表明，大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接变形和应力在可接受范围内，焊后热处理对释放残余应力有重要作用。

关键词：激光焊接；焊接变形；焊接应力；热处理；不锈钢
DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2024.05.009
中图分类号：TG456.7 文献标志码：A 文章编号：1674-6457(2024)05-0069-09
Deformation and Stress in Wire-fed Laser Beam Welding of Thick
Austenitic Stainless Steel Cylinders
MI Dawei1, GUO Baochao1, LI Tianqing2*
(1. Shanghai No.1 Machine Tool Works Co., Ltd., Shanghai 201308, China;
2. Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013, China)
ABSTRACT: The work aims to study the wire-fed laser beam welding of large-thickness austenitic stainless steel cylinders, and optimize their structural design and process design. A numerical analysis model for wire-fed laser beam welding of large-thickness austenitic stainless steel cylinders was established. Through numerical simulation, the welding deformation and stress of large-thickness austenitic stainless steel cylinders were quantitatively analyzed. The maximum radial shrinkage at the weld location of 38 mm thick at the lower part of the part was 1.2 mm. The maximum radial shrinkage at the weld location of 60 mm thick at the lower part of the part was 2.0 mm. The maximum radial shrinkage at the weld location of 60 mm thick at the
收稿日期：2024-03-04
Received：2024-03-04
基金项目：国家自然科学基金（51605201）
Fund：The National Natural Science Foundation of China (51605201)
引文格式：米大为, 郭宝超, 李天庆. 大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接变形和应力分析[J]. 精密成形工程, 2024, 16(5): 69-77.
MI Dawei, GUO Baochao, LI Tianqing. Deformation and Stress in Wire-fed Laser Beam Welding of Thick Austenitic Stainless Steel Cylinders[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(5): 69-77.
*通信作者（Corresponding author）
70精密成形工程 2024年5月
middle part of the part was 1.9 mm. The maximum radial shrinkage at the weld location of 60 mm thick at the upper part of the part was 1.8 mm. The axial shrinkage of wire-fed laser beam welding was 0.55 mm. The maximum residual stress of the part af-ter wire-fed laser beam welding was around 450 MPa, and the stress was mainly distributed near the weld. After heat treatment, the welding residual stress significantly reduced, with the maximum residual stress decreasing from around 450 MPa to about 200 MPa, which indicated a certain degree of reduction in the range of welding residual stress. After heat treatment, the change in welding residual deformation was minor, and deformation at certain locations slightly increased after heat treatment. The simulation results show that the deformation and stress of wire-fed laser welding of large-thickness austenitic stainless steel cyl-inders are within an acceptable range, and post-weld heat treatment plays a significant role in releasing residual stress.
KEY WORDS: LBW; welding deformation; welding stress; heat treatment; stainless steel
大厚度奥氏体不锈钢筒体制造采用的常规焊接技术是热丝TIG焊接，但热丝TIG焊接时焊接应力和变形较大。

高能量密度焊接工艺是减小焊接应力和变形的重要手段。

激光焊接和填丝激光焊接作为一种高能量密度的焊接工艺，在大厚度奥氏体不锈钢筒体制造中具有潜在应用前景。

目前，在核电领域，针对大厚度奥氏体不锈钢筒体还没有比较成熟的填丝激光焊接工艺。

直接进行大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接的试制成本较高，焊接数值模拟可以减少试验工作量，并较好地优化结构设计和工艺设计。

国内外学者针对不锈钢焊接及焊接变形和应力仿真已经开展了大量的研究工作[1-7]。

焊接残余变形和应力模拟已经应用于实际装备制造中[8-12]。

Liang 等[13]针对小尺寸试板的激光焊接侧壁熔深问题进行了研究。

Chen等[14-15]、Xu等[16]、Hao等[17]、Horník 等[18]针对激光焊缝成形进行了研究。

这些研究都是针对小尺寸零件或试板，试板长度和宽度都小于1 m。

Gozarganji等[19]研究了保护气成分对试板激光焊缝成形的影响。

文献[20-26]针对小尺寸试板激光焊接接头组织和性能进行了研究。

可以看出，目前针对小尺寸零件或试板的激光焊接已经开展了较为系统的研究，然而针对大厚度大尺寸零件激光焊接变形和应力的研究较少。

为此，本文拟采用焊接数值模拟的方法，建立大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接数值分析模型，模拟焊接应力和变形以及焊后热处理对焊接残余应力和变形的影响，以期为填丝激光焊接大厚度奥氏体不锈钢筒体提供理论支撑和基础数据。

1 仿真模型
几何模型、材料设置、边界条件设置、控制方程是大厚度奥氏体不锈钢筒体（简称零件）填丝激光焊接数值分析模型建立的关键，下面将从这几个方面进行阐述。

零件填丝激光焊接整体网格图如图1a所示，零件填丝激光焊接局部网格图如图1b所示。

焊缝处网格为细网格，其截面边长为0.8 mm。

为提高计算效率，采用疏密结合的网格，具体为焊缝区域网格密、远离焊缝区域的网格疏。

针对304LN不锈钢母材，
建立包含屈服强度等的材料属性数据库，进行材料设
置。

将设计好的材料数据库加载到SYSWeld材料库
中。

在激光焊接304LN不锈钢零件时，工件冷却方
式为空冷，因此在建立数值分析模型时，将边界条件
设置为空冷。

图1 零件填丝激光焊接网格
Fig.1 Mesh for wire-fed laser beam welding of components:
a) overall mesh diagram of components; b) partial mesh
diagram of components
焊接产生应力和变形的原因与焊接过程中工件
受热不均匀有关。

在建立模型时，做如下约定：材料
屈服满足Von Mises屈服法则；在塑性阶段材料塑性
区域内的行为满足流动法则以及强化准则；弹性阶段
的应变、塑性阶段的应变与温度应变之间均是相互联
系的；材料的各种力学性能、应力-应变在极小的时
间微段内是呈线性变化的；材料的物理参数随温度的
变化而变化。

零件填丝激光焊接应力-应变数值模拟
的控制方程包含热传导方程、应力-应变关系方程等。

焊接热传导方程如式（1）所示。

()
222
222
,,,
T T T T
c k F x y z t
t x y z
ρ
⎛⎫
∂∂∂∂
=+++
⎪
⎪
∂∂∂∂
⎝⎭
(1)
式中：ρ为密度；c为比热容；T为温度；t为时
间；k为热导率；F(x,y,z,t)为焊接热源。

材料在弹性阶段的本构关系如式（2）~（4）所示。

{}{}{}
e T
d d d
εεε
=+ (2)
第16卷 第5期 米大为，等：大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接变形和应力分析
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{}[]{}[]{}1
1e e e d d d D D T T
εσσ--=+∂ (3) {}{}{}0000T d d d d T T T T T αεαααα∂⎧
⎫=+=+=⎨⎬∂⎩⎭
(4) 式中：{d ε}为应变；{d ε}e 为弹性应变的增量；
{d ε}T 为温度热应变的增量；[D ]e 为弹性矩阵；{d σ}
为应力增量；{σ}为应力值；{α}为线膨胀系数；α0
为0 ℃时的热膨胀系数。

在塑性应变阶段，材料应力与应变之间的函数表
达式如式（5）所示。

{}[]{}[]e p
p
e d =d d T C D σε- (5)
式中：[D ]ep 为塑性矩阵；[C ]ep 为塑性阶段的线膨胀系数矩阵。

在求解过程中，满足的平衡方程如式（6）~（8）所示。

{}{}[]{}e e e e d d d F R K δ+= (6)
[][][][]e T d K B D B V =⎰ (7)
[][][]e T
d d d R B C T V =⎰ (8) 式中：{d F }
e 为结构离散单元中的节点增量；{d R }e 为温度变化带来的结构离散单元起始应变的节点力增量；{d δ}e 为单元节点位移增量；[K ]e 为结构单元的刚度矩阵；[B ]为联系结构中单元节点位移向量与应变的矩阵；[D ]为模量矩阵；V 为体积增量；[C ]为线膨胀系数矩阵。

在弹性阶段，用弹性阶段的[D ]e 、[C ]e （弹性阶段线膨胀系数矩阵）代替[D ]、[C ]；在塑性阶段，用塑性阶段的[D ]ep 、[C ]ep 代替[D ]、[C ]。

2 结果与分析 2.1 焊接变形
零件填丝激光焊接整体变形如图2所示。

零件填丝激光焊接最大变形量为 2.7 mm ，出现在上部焊缝位置。

下部38 mm 厚焊缝位置填丝激光焊接局部变形分布情况如图3所示。

计算得到38 mm 环焊缝壁厚处最大收缩量为1.2 mm 。

模拟结果表明，零件填丝
激光焊接38 mm 厚处的环焊缝存在一定的径向收缩。

下部60 mm 厚焊缝位置填丝激光焊接局部变形
图2 零件填丝激光焊接整体变形
Fig.2 Overall deformation of components due to wire-fed laser beam welding
图3 下部38 mm 厚焊缝位置填丝激光焊接变形局部图
Fig.3 Partial diagram for deformation at the low 38 mm thick weld position in wire-fed laser beam welding
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分布情况如图4a所示。

计算得到下部60 mm环焊缝壁厚处的最大收缩量为 2.0 mm。

模拟结果表明，零件填丝激光焊接下部60 mm厚处的环焊缝存在一定的径向收缩。

中部60 mm厚焊缝位置填丝激光焊接局部变形分布情况如图4b所示。

计算得到中部60 mm 环焊缝壁厚处最大收缩量为1.9 mm。

模拟结果表明，零件填丝激光焊接中部60 mm厚处的环焊缝存在一定的径向收缩。

上部60 mm厚焊缝位置填丝激光焊接局部变形分布情况如图4c所示。

计算得到上部60 mm环焊缝壁厚处最大收缩量为1.8 mm。

模拟结果表明，零件填丝激光焊接上部60 mm厚处的环焊缝存在一定的径向收缩。

零件填丝激光焊接x方向的变形分布情况如图5a所示，x方向上的最大变形量出现在上部60 mm厚焊缝位置，最大变形量为2.12 mm。

零件填丝激光焊接y方向的变形分布情况如图5b所示，上部60 mm 厚焊缝y方向上的最大变形量为1.9 mm，下部38 mm 厚焊缝y方向上的最大变形量为1.42 mm。

零件填丝激光焊接y方向的变形分布情况如图5c所示，中部60 mm厚焊缝z方向上的最大变形量为1.78 mm。

2.2 焊接应力
零件填丝激光焊接整体应力如图6所示。

可见，零件填丝激光焊接应力主要集中在焊缝周围。

下部38 mm 厚焊缝位置填丝激光焊接应力如图7所示。

下部38 mm 厚焊缝位置应力>50 MPa，宽度约为183 mm。

图4 不同焊缝位置填丝激光焊接变形局部图
Fig.4 Partial diagram for deformation at different weld positions in wire-fed laser beam welding: a) lower 60 mm thick weld position; b) middle 60 mm thick weld position; c) upper 60 mm thick weld position
第16卷 第5期 米大为，等：大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接变形和应力分析
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图5 零件填丝激光焊接变形
Fig.5 Deformation in wire-fed laser beam welding of the component: a) deformation in the x direction; b) deformation
in the y direction; c) deformation in the z direction
图6 零件填丝激光焊接整体应力
Fig.6 Overall stress from wire-fed laser beam
welding of components 下部60 mm 厚焊缝位置填丝激光焊接应力如图8a 所示，下部60 mm 厚焊缝位置应力>50 MPa ，宽度约为142 mm 。

中部60 mm 厚焊缝位置填丝激光焊接应力如图8b 所示，中部60 mm 厚焊缝位置应力>50 MPa ，宽度约为122 mm 。

上部60 mm 厚焊缝位置填丝激光焊接应力如图8c 所示，上部60 mm 厚焊缝位置应力>50 MPa ，宽度约为227 mm 。

2.3 焊后热处理对焊接残余应力和变形的影响
下部38 mm 、下部60 mm 、中部60 mm 、上部
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图7 下部38 mm厚焊缝位置填丝激光焊接应力局部图
Fig.7 Local diagram for stress at the lower 38 mm thick weld position in wire-fed laser beam welding
图8 填丝激光焊接应力局部图
Fig.8 Local diagram of stress in wire-fed laser beam welding: a) lower 60 mm thick weld position;
b) middle 60 mm thick weld position; c) upper 60 mm thick weld position
第16卷 第5期 米大为，等：大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接变形和应力分析
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60 mm 厚焊缝处热处理前后填丝激光焊接接头应力分布分别如图9~12所示。

可以看出，热处理后，填丝激光焊接接头最大残余应力由450 MPa 左右降低到200 MPa 左右，焊接接头残余应力范围也有一定减小。

图9 下部38 mm 厚焊缝处热处理前后填丝激光
焊接接头应力分布
Fig.9 Stress distribution of welded joint at the lower 38 mm thick weld position before and after heat treatment in wire-fed
laser beam welding: a) before heat treatment;
b) after heat treatment
图10 下部60 mm 厚焊缝处热处理前后填丝
激光焊接接头应力分布
Fig.10 Stress distribution of welded joint at the lower 60 mm thick weld position before and after heat treatment in wire-fed
laser beam welding: a) before heat treatment;
b) after heat treatment
图11 中部60 mm 厚焊缝处热处理前后填丝
激光焊接接头应力分布
Fig.11 Stress distribution of welded joint at the middle 60 mm thick weld position before and after heat treatment in wire-fed
laser beam welding: a) before heat treatment;
b) after heat treatment
图12 上部60 mm 厚焊缝处热处理前后填丝
激光焊接接头应力分布
Fig.12 Stress distribution of welded joint at the upper 60 mm thick weld position before and after heat treatment in wire-fed
laser beam welding: a) before heat treatment;
b) after heat treatment
热处理前后填丝激光焊接零件的变形情况如图13所示。

可以看出，热处理对填丝激光焊接变形影响较小，热处理后某些位置的变形略微有所增大。

这可能与残余应力的释放有关，从某种程度上来说，焊接残余应力和变形是一对“矛盾”。

图13 热处理前后填丝激光焊接接头变形分布
Fig.13 Distribution of deformation in welded joint before and
after heat treatment in wire-fed laser beam welding: a) before heat treatment; b) after heat treatment
3 结论
1）建立了大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接仿真分析模型，该模型可以定量计算焊接变形和应力，并模拟焊后热处理对焊接残余变形和应力的影响。

2）零件下部38 mm 厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.2 mm ；零件下部60 mm 厚焊缝位置处的最大径向收缩量为2.0 mm ；零件中部60 mm 厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.9 mm ；零件上部60 mm 厚焊缝位置处的最大径向收缩量为 1.8 mm 。

填丝激光焊接轴向收缩量为0.55 mm 。

3）零件填丝激光焊接残余应力最大值在450 MPa 左右，应力主要分布在焊缝附近。

4）热处理后，焊接残余应力有明显降低，最大
76精密成形工程 2024年5月
残余应力从450 MPa左右降低到200 MPa左右，焊接残余应力范围存在一定减小；焊接残余变形变化较小，热处理后某些位置的变形略微有所增大。

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