黃　程,張玉財(cái),霍厚志（.山東山推機(jī)械有限公司,山東　濟(jì)寧　7000;　.寧夏建筑材料研究院,銀川　75000）

基于新型移動(dòng)熱源模型激光深熔焊過(guò)程的數(shù)值仿真

黃程1,張玉財(cái)2,霍厚志1
（1.山東山推機(jī)械有限公司,山東濟(jì)寧272000;2.寧夏建筑材料研究院,銀川750001）

摘要：建立了新型移動(dòng)熱源模型—圓錐高斯體熱源模型，基于此熱源模型對(duì)AISI316不銹鋼平板對(duì)接時(shí)激光深熔焊的焊接過(guò)程進(jìn)行了模擬。結(jié)果顯示，試件上表面和焊縫縱切面的溫度場(chǎng)分布與相關(guān)研究數(shù)據(jù)基本吻合。

關(guān)鍵詞：圓錐體熱源模型；移動(dòng)熱源；激光深熔焊；數(shù)值模擬；溫度場(chǎng)

0　前言

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中為了方便焊接設(shè)計(jì)及工藝人員選定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及焊接工藝參數(shù)，預(yù)測(cè)焊后焊件上的應(yīng)力分布及焊接變形變得尤為重要。然而，引起焊后殘余應(yīng)力及變形的主要原因是焊接過(guò)程中工件受熱不均勻（即導(dǎo)致不均勻的溫度場(chǎng)）從而產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布，最終導(dǎo)致焊后殘余應(yīng)力及工件變形。所以要想準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊接工件的殘余應(yīng)力及變形情況，必須先準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)分布情況。

然而由于激光的特殊物理性質(zhì)使得激光深熔焊的能量分布極為集中，在焊接過(guò)程中，激光所作用區(qū)域能夠迅速形成小孔，激光移開(kāi)后小孔便迅速液化凝固。因此激光深熔焊的溫度場(chǎng)分布非常小，而且溫度梯度極大，并且此焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)變化非常快，所以利用實(shí)驗(yàn)法測(cè)得激光深熔焊過(guò)程的溫度場(chǎng)分布十分困難。計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷發(fā)展，尤其是相關(guān)有限元分析軟件的快速發(fā)展使得激光深熔焊小孔周圍大梯度溫度場(chǎng)的計(jì)算更為準(zhǔn)確，所以應(yīng)用有限元分析軟件計(jì)算激光焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)及應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布受到越來(lái)越多專家學(xué)者的重視。本文基于圓錐體移動(dòng)熱源模型[1]對(duì)激光深熔焊過(guò)程的溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬。

1　新型移動(dòng)熱源模型

由于激光束能量密度高，同時(shí)激光束作用工件時(shí)能量分布基本遵守高斯分布，因此在激光焊接實(shí)際物理過(guò)程的基礎(chǔ)上，本文復(fù)合圓錐體和高斯體函數(shù)再用解析計(jì)算法[2]計(jì)算出復(fù)合函數(shù)中決定模型底面半徑和長(zhǎng)度參數(shù)，給出了基于激光深熔焊的圓錐體熱源模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中是激光束功率的修正參數(shù)；Q為激光發(fā)生器的功率；r為激光束作用工件的有效半徑；、、和為相關(guān)焊接速度與時(shí)間的函數(shù)，和為熱源的平面坐標(biāo)；v為焊接速度。

2　數(shù)值模擬

2.1材料選取及焊接參數(shù)選定

表1[3]

根據(jù)本論文推算出的熱源模型，對(duì)AISI316不銹鋼激光焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)變化進(jìn)行有限元分析。表2.1所列的參數(shù)為AISI316不銹鋼的相關(guān)熱物理參數(shù)。本次模擬分析所選用試件的尺寸為2cm×2cm×0.3cm。選用激光器的最大功率為4KW，激光光斑有效半徑為0.1mm，模擬焊接速度25mm/s，室溫為25℃。

2.2邊界條件

焊接過(guò)程中焊件與外部環(huán)境的溫差極大，對(duì)流和輻射是高溫焊件與外部環(huán)境進(jìn)行熱交換的兩種主要方式。輻射的強(qiáng)弱與焊件溫度的高低成線性關(guān)系，對(duì)流相對(duì)較小[4]。為了方便分析，本文將輻射、對(duì)流和焊件表面與外界的溫差用一個(gè)總的換熱系數(shù)聯(lián)系起來(lái)，那么焊件與外界的熱交換可以表示為：

其中是與焊接溫度相關(guān)的一個(gè)函數(shù)，是焊件溫度，為室溫。

2.3移動(dòng)熱源作用下溫度場(chǎng)分布的數(shù)值仿真

對(duì)激光深熔焊過(guò)程的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真。首先建立物理模型（為了節(jié)省時(shí)間降低計(jì)算量，只去焊縫的一側(cè)建立模型），然后把表1中的參數(shù)賦予相應(yīng)的材料，再采用過(guò)渡網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)所建的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖1　激光深熔焊溫度場(chǎng)分布演變的俯視圖

圖2　激光深熔焊溫度場(chǎng)分布演變的側(cè)視圖

然后對(duì)所建熱源模型施加邊界條件及熱源載荷，邊界條件用對(duì)流載荷的方式加載到所建模型表面上，熱源載荷則以生熱率的方式加載。本次模擬熱源在Y方向移動(dòng)，故，,其中是熱源起始點(diǎn)的Y坐標(biāo)，為焊接速度。最后設(shè)置載荷步和時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算。

圖3　移動(dòng)熱源模型數(shù)值仿真的溫度場(chǎng)分布云圖

模擬的焊接溫度場(chǎng)分布云圖的演變過(guò)程如圖1和圖2中的а、b、c、d所示，其中а、b、c、d分別代表0.1s、0.3s、0.5s和0.7s的溫度分布圖。由圖4可以看出，在移動(dòng)熱源的前進(jìn)方向上分布較密的等溫線，在移動(dòng)熱源的后方等溫線分布密度較小離等溫線越遠(yuǎn)分布密度越小，且等溫線基本程橢圓形。b、c、d、圖所顯示的最高溫度沒(méi)有變化，說(shuō)明焊縫形狀基本穩(wěn)定，此時(shí)溫度場(chǎng)分布趨于平衡，已達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。

為了能夠更好的反應(yīng)焊接過(guò)程中試件上不同點(diǎn)溫度和時(shí)間的變化曲線，本文在焊接方向上等距離選取了九個(gè)點(diǎn)如圖3所示，每個(gè)點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線如圖4所示，由圖4可知在對(duì)應(yīng)的4、5、6、7、8點(diǎn)的時(shí)間溫度曲線的形狀基本相同，說(shuō)明焊接在第4個(gè)點(diǎn)附近就進(jìn)入了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，由于空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)沒(méi)有AISI316不銹鋼的熱傳導(dǎo)因數(shù)高所以第9個(gè)點(diǎn)的最高溫度比前5個(gè)點(diǎn)的最高溫度略高，由此可知本論文的仿真結(jié)果與實(shí)際焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)分布基本一致。

3　結(jié)論

基于圓錐體熱源模型仿真激光深熔焊焊接過(guò)程，得到的移動(dòng)熱源前進(jìn)方向上的等溫線分布較密，移動(dòng)熱源后方等溫線分布相對(duì)較疏且呈橢球狀，這與同一領(lǐng)域其他專家學(xué)者的研究結(jié)果相符。得到的熔池形狀與實(shí)驗(yàn)抓拍的熔池形狀基本相同。以前很少有人對(duì)激光焊接過(guò)程焊縫的演變過(guò)程進(jìn)行模擬，本論文給出了在移動(dòng)熱源作用條件下，焊縫溫度場(chǎng)的演變過(guò)程，仿真圖片顯示在焊接的中間過(guò)程焊縫的溫度場(chǎng)形狀不再發(fā)生變化，焊接進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段。這跟實(shí)際的焊接過(guò)程完全一致，由此可以說(shuō)明本論文建立的圓錐體熱源模型也適合基于移動(dòng)熱源的激光深熔焊的數(shù)值模擬。

圖4　在焊接方向上選取點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線圖

參考文獻(xiàn)：

[1]霍厚志,王宏.激光深熔焊熔池形成過(guò)程的數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2012,8(04):6-8.

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[3]AndreaCapriccioli,PaoloFrosi.MultipurposeANSYS FEprocedureforweldingprocessessimulation[J].Fusion EngineeringandDesign,2009(84):546-553.

[4]韓國(guó)明,李建強(qiáng),閆青亮.不銹鋼激光焊溫度場(chǎng)的建模與仿真[J].焊接學(xué)報(bào),2006,3,27(03):105-108.

作者簡(jiǎn)介：黃程（1986-），男，山東濰坊人，工學(xué)學(xué)士，助理工程師。