王麗萍

（中鐵工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100038）

高強(qiáng)鋼激光深熔焊接溫度場的數(shù)值模擬

王麗萍

（中鐵工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100038）

建立了復(fù)合熱源作用下的三維高強(qiáng)鋼CO2激光焊接有限元分析模型，對(duì)高強(qiáng)鋼板CO2激光焊接進(jìn)行基于ANASYS平臺(tái)的焊接過程數(shù)值模擬。焊接熱源分為沿工件表面的高斯熱源和沿激光入射方向的柱狀熱源兩部分組成，獲得了焊接溫度場分布及熔池溫度形態(tài)分布。結(jié)果表明，激光焊接溫度場是一組具有梯度的以焊接方向?yàn)殚L軸的橢圓。光斑中心前半部分的等溫線較為密集，后半部的等溫線較稀疏，且離光斑越遠(yuǎn)，溫度梯度越小。熔池高溫時(shí)間短，焊縫截面熔深大，表現(xiàn)出了激光焊接熱量集中、穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)。試驗(yàn)所得的熔池溫度場界面與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，對(duì)于分析其復(fù)雜的溫度場具有一定的理論意義。

激光焊接；數(shù)值模擬；焊接溫度場

激光焊接技術(shù)與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊的焊接速度快、生產(chǎn)效率高；焊縫深寬比大，熱輸入小，接頭熱影響區(qū)小，焊接變形小。［1］激光焊接是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，［2］熔池反應(yīng)激烈，利用試驗(yàn)方法對(duì)溫度場進(jìn)行研究存在諸多的困難。而且僅僅依靠進(jìn)行大量的試驗(yàn)進(jìn)行積累數(shù)據(jù)而制定適合的激光焊接工藝往往不切合實(shí)際，也不經(jīng)濟(jì)。而通過采用數(shù)值模擬的方法，建立符合實(shí)際的有限元模型，往往會(huì)取得事半功倍的效果。因此，本文就常用的CO2激光焊接采用復(fù)合熱源對(duì)建立的三維有限元模型進(jìn)行加載，針對(duì)高強(qiáng)鋼板的激光深熔焊接的溫度場進(jìn)行有限元模擬，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 焊接溫度場控制方程

在區(qū)域Ω中熱過程控制方程為：［3］

式中：Q（x，y，z）：求解域中的內(nèi)熱源；

c：材料的比熱容；

ρ：材料的密度；

T：焊接溫度場的分布函數(shù)；

T：傳熱時(shí)間。

這些參數(shù)中λ，c，ρ都隨溫度變化。上式為泛定方程，為了獲得定解，需要給出定解條件，即微分方程的邊界條件和初始條件。焊接溫度場的計(jì)算通常有以下幾類邊界條件：

從中小學(xué)生發(fā)展的觀念上看，學(xué)生的生活和藝術(shù)息息相關(guān)，有“生活高于藝術(shù)”也有“藝術(shù)高于生活”的看法，可無論是什么觀點(diǎn)，我們都可以看出在生活中我們必然會(huì)接觸到藝術(shù)。在《寫給大家的中國美術(shù)史》一書中，看得出象形文字的產(chǎn)生過程與繪畫的開始是有巨大的聯(lián)系的，隨著象形文字的逐漸出現(xiàn)，中國人將其賦予結(jié)合自然界的想法，文字也越來越豐富；中國人常說“書畫同源”，也就是說：文字和圖畫原本是一樣的東西?？垂糯奈淖?，和看畫一模一樣。從繪畫的產(chǎn)生我們可以明白，繪畫源于生活，也將為我們所用。因此，藝術(shù)的繪畫層面也慢慢的與我國的教育結(jié)合，將教育更加優(yōu)化、更加出彩。

第一類邊界條件，已知邊界上的溫度值：

第二類邊界條件，已知邊界上的熱流密度分布：

第三類邊界條件，已知邊界上的物體與周圍介質(zhì)間的熱交換：

式中：qs：單位面積上的外部輸入熱源；

nxβ：表面換熱系數(shù)；

Tα：周圍介質(zhì)溫度；

nx，ny，nz：分別為邊界外法線的方向余弦。初始條件是過程開始時(shí)物體整個(gè)區(qū)域中所具有的溫度為已知值，用公式表示為：T︱t＝0＝T0。

2 焊接過程的有限元模擬

2.1 激光熱源模型

典型的激光深熔焊接焊縫橫截面為“釘頭”形狀或“沙漏”形狀，［4］本文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果針對(duì)“倒喇叭”形狀的焊縫進(jìn)行熱源加載。激光穿透焊接過程中高溫的光至等離子體對(duì)焊接件表面有加熱的作用，同時(shí)，其余的熱量經(jīng)小孔作用多次折射而被吸收，因此本文采用高斯表面熱源和圓柱體熱源相結(jié)合的復(fù)合熱源模型進(jìn)行焊接熱源的加載，熱源模型見圖1。

圖1 復(fù)合熱源模型

2.2 邊界條件

焊接過程中工件處于高溫狀態(tài)，因此與周圍環(huán)境產(chǎn)生對(duì)流換熱，上表面邊界條件為：［5］

式中：hf：換熱系數(shù)；

q：通過上表面吸收的熱量；

T0：環(huán)境溫度。

在其它工件表面（非對(duì)稱面）對(duì)流換熱邊界條件為：

焊接件是對(duì)稱的，減小計(jì)算成本，取一半工件進(jìn)行計(jì)算。在對(duì)稱面內(nèi)溫度滿足絕熱邊界條件

2.3 有限元網(wǎng)格劃分

選擇以焊縫中心為對(duì)稱軸的一半建立三維有限元分析模型，工件規(guī)格為 30×20×4 mm。網(wǎng)格劃分中熱分析采用SOLID70單元，自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的太粗會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的精確度降低和收斂困難，劃分的太密則導(dǎo)致計(jì)算成本的增加而又不一定會(huì)在一定的范圍內(nèi)增加結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，考慮到焊縫和近縫區(qū)有較高的溫度梯度，本文采用漸進(jìn)網(wǎng)格劃分，焊縫和距離焊縫較近的區(qū)域網(wǎng)格劃分較密，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域網(wǎng)格劃分較疏，這樣做不僅保證計(jì)算結(jié)果的收斂性和一定的計(jì)算精度，同時(shí)還能夠盡量降低計(jì)算成本。有限元模型共有單元數(shù)29 728，節(jié)點(diǎn)數(shù)為6 356，最小網(wǎng)格尺寸0.1 mm。

2.4 物理模型

試驗(yàn)選擇材料為一塊4 mm高強(qiáng)鍍鋅鋼板，材料的熱物理性能隨溫度變化而變化（見圖 2）。其中假定 700～3 000 ℃的熱物理性能保持不變，這種假設(shè)的依據(jù)見文獻(xiàn)。焊縫材料熱物理性質(zhì)假設(shè)與母材相同。［6］圖中系列1至系列 7分別代表泊松比μ、熱導(dǎo)率λ（×10 W/m﹒k）、線膨脹系數(shù)η（×10－6K－1）、比熱容c（J/Kg﹒k）、熱擴(kuò)散率α（×10－6m2/s）、切變彈性模量G（×104MPa）、彈性模量E（×105MPa）。

圖2 網(wǎng)格劃分

圖3 高強(qiáng)鋼物理性能參數(shù)

2.5 接觸條件的確定

在網(wǎng)格劃分的過程中，由于要對(duì)焊縫部分應(yīng)用單元生死技術(shù)，必須對(duì)焊縫和平板這兩部分進(jìn)行分別劃分，這樣做帶來的缺點(diǎn)就是不能夠保證位于各接觸邊界上的節(jié)點(diǎn)能夠完全重合，而在這種情況下有限元模型各部分之間的熱傳導(dǎo)是不能正常進(jìn)行的。為解決這一問題，本文采取的辦法是定義平板和焊縫為耦合場中可變形的接觸體，它們之間的接觸方式是膠合，進(jìn)而成功的解決了各部分由于邊界節(jié)點(diǎn)不完全重合而可能導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)不良問題。

3 結(jié)果及討論

圖4為焊接過程到t＝2.5 s時(shí)的溫度場分布云圖，光斑中心溫度達(dá)到2 969 ℃，已經(jīng)高于焊接材料的汽化溫度，表明了激光焊接過程中汽化小孔的存在。從工件表面上來看，CO2激光焊接溫度場是一組具有梯度的以焊接方向?yàn)殚L軸的橢圓，中心光斑為不規(guī)則的圓形。焊接溫度場前半部分的等溫線較為密集，后半部的等溫線較稀疏，且離光斑越遠(yuǎn)，溫度梯度越小。

圖4 2.5 s溫度場分布云圖

圖5 焊縫截面計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比

圖6 遠(yuǎn)離焊縫各點(diǎn)時(shí)間－溫度分布曲線

圖5表明焊縫熔池的形狀呈“倒喇叭”形，焊縫表面的溫度場較寬，垂直焊縫向下逐漸變窄，與其它焊接方法所形成的焊接接頭相比，焊縫截面熔深更大，表現(xiàn)出了激光焊接穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)。圖6為遠(yuǎn)離焊縫各點(diǎn)隨時(shí)間的溫度變化曲線，結(jié)果表明，焊接開始后溫度場存在著極大的不平衡，工件升溫極為迅速，體現(xiàn)了激光焊接快速加熱的特點(diǎn)。

溫度場高溫區(qū)間狹窄，熔池高溫時(shí)間短，遠(yuǎn)離焊縫中心的各節(jié)點(diǎn)位置降溫迅速。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文中所進(jìn)行有限元溫度場分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，嚴(yán)格按照有限元模擬的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了焊接試板試焊，焊接材料為4 mm厚高強(qiáng)鍍鋅鋼板，采用CO2激光焊接。從圖5實(shí)際焊縫截面與熔池截面計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以看出，焊縫截面與有限元計(jì)算結(jié)果得到的焊縫熔池截面上下表面與各部分寬度基本一致，形狀相同，符合的很好。可以確認(rèn)，本文所選擇的高斯表面熱源加圓柱體熱源所構(gòu)成的復(fù)合熱源非常適合于CO2激光焊接的數(shù)值模擬過程。

5 結(jié)論

（1）本文通過采用高斯表面熱源加圓柱體熱源的復(fù)合熱源模式，成功的實(shí)施了高強(qiáng)鋼板的CO2激光焊接過程的數(shù)值模擬，對(duì)于分析其復(fù)雜的溫度場具有一定的理論意義。

（2）CO2激光焊接溫度場是一組具有梯度的以焊接方向?yàn)殚L軸的橢圓。光斑中心前半部分的等溫線較為密集，后半部的等溫線較稀疏，且離光斑越遠(yuǎn)，溫度梯度越小，溫度場高溫區(qū)間狹窄。

（3）焊縫熔池的形狀呈“釘頭”形狀，焊縫截面熔深大，表現(xiàn)出了激光焊接熱量集中、穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)。

（4）根據(jù)遠(yuǎn)離焊縫各點(diǎn)的時(shí)間溫度分布曲線可以看出，熔池高溫時(shí)間短，升溫迅速。

1 余淑榮、樊 丁、熊進(jìn)輝.鋁合金不等厚板的 CO2激光拼焊及數(shù)值模擬［J］.中國激光，2008（11）：1795～1800

2 Wang Hong, Shi Yaowu, Gong Shuili. Modelling of the keyhole formation under high intensity laser power［J］.Chinese Lasers,2007（4）: 564～568

3 Teng Tso－Liang, Lin Chih－Cheng. Effect of welding condition on residual stresses due to butt welds［J］. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 1998（12）: 857～864

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5 陳軍城、俞海良、蘆鳳桂等.高強(qiáng)鋼激光穿透焊熔池溫度場數(shù)值模擬［J］.應(yīng)用激光，2008（3）：177～180

Deep penetration laser welding of high strength steel Numerical simulation of tem perature field

Wang Liping

Numerical Simulation on CO2Laser Welding of High Strength Steel Establishing a 3D finite element with a hybrid heat source and do numerical simulation on laser welding of High Strength Steel based on ANSYS. The hybrid heat behinds gauss surface heat source and cylinder heat source together. The result of welding temperature filed and molten pool showed that the welding temperature filed of CO2laser welding is like a elliptic in which the long axis is along welding direction. In the front of the spot center, the isotherm is more densely then which in the behind. The temperature of welding is short and the welding penetration is well. In this paper, numerical simulation on CO2laser welding of tailored blank conform to reality, which has practical significance on complex welding temperature filed.

CO2laser welding; numerical simulation; welding temperature filed

TG456.7

A

1000－8136（2010）33－0010－03