許新猴，李先芬，趙小強(qiáng)，周 偉,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009；2.新加坡南洋理工大學(xué) 機(jī)械與宇航工程學(xué)院，新加坡639798）

D500鋼激光焊接數(shù)值模擬

許新猴1，李先芬1，趙小強(qiáng)1，周 偉1,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009；2.新加坡南洋理工大學(xué) 機(jī)械與宇航工程學(xué)院，新加坡639798）

基于ANSYS有限元分析軟件，以5 mm厚D500鋼為研究對(duì)象，采用均勻分布的柱體熱源與橢球熱源組合的方法，建立激光焊接熱源模型，對(duì)D500鋼激光焊接溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，并與試驗(yàn)所得焊縫形狀及焊后殘余應(yīng)力進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，證明該熱源模型具有一定的適用性。

D500鋼；熱源模型；激光焊；溫度場(chǎng)；應(yīng)力場(chǎng)；數(shù)值模擬

激光深熔焊接過(guò)程包含著一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，表現(xiàn)出復(fù)雜、快速且受多個(gè)參數(shù)影響的特點(diǎn)[1-3]。焊接溫度場(chǎng)的變化反映了焊接過(guò)程中的熱變化，其對(duì)焊接質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。隨著人們對(duì)激光焊接工藝的不斷認(rèn)識(shí)，研究焊接的方法也變得多種多樣。焊接過(guò)程的數(shù)值模擬一直都被認(rèn)為是一種前沿且能夠快速重現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的方法，也是近幾年研究的重點(diǎn)。盡管前人對(duì)激光焊接過(guò)程已經(jīng)有了一些研究，但是在對(duì)激光深熔焊接過(guò)程的數(shù)值模擬仍存在一定的局限。隨著社會(huì)的進(jìn)步及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視焊接質(zhì)量和焊接生產(chǎn)效率。有限元技術(shù)和焊接技術(shù)的飛速發(fā)展，為數(shù)值模擬技術(shù)提供了有力的工具，焊接溫度場(chǎng)的研究和殘余應(yīng)力的分布情況可以采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析，這樣就可以省去大量的試驗(yàn)，從而可以大大節(jié)省人力、物力和時(shí)間，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益[4-5]。D500鋼作為一種低合金鋼，具有高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于船舶工業(yè)、橋梁鋼構(gòu)、航空航天等領(lǐng)域。低合金鋼在世界范圍內(nèi)需求的不斷提高使得其在焊接結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用越來(lái)越普遍，焊接質(zhì)量和焊接效率要求也越來(lái)越高。目前，針對(duì)D500鋼激光焊接數(shù)值模擬研究較少，因此，D500鋼焊接過(guò)程殘余應(yīng)力及變形的模擬研究對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 激光焊接模型

1.1 激光焊接試驗(yàn)

試驗(yàn)選用厚度為5 mm的D500低碳調(diào)質(zhì)鋼平板，采用波長(zhǎng)為1.06的光纖激光焊機(jī)，通過(guò)逐步改變激光輸出功率和離焦量，從而使試板均勻焊透，并獲得良好外觀焊縫。選最優(yōu)焊接參數(shù)為焊接工藝參數(shù)：激光輸出功率3 kW，光斑直徑0.6 mm，離焦量1 mm，焊接速度15 mm/s。

1.2 激光焊接熱源模型

要對(duì)激光焊進(jìn)行數(shù)值模擬，首先要合理描述激光焊熱輸入分布模式，在考慮激光焊接工藝熱輸入分布特點(diǎn)的情況下，建立適用于激光焊接的熱源模型。本研究采用的組合熱源模型為橢球熱源+柱體熱源。各熱源模型公式[6-8]如下：

（1）橢球熱源模型函數(shù)公式

式中：Q—熱輸入功率；

a，b，c—分別為橢球的半軸長(zhǎng)。

（2）柱體熱源模型函數(shù)表達(dá)式

式中：r0—熱源徑向分布參數(shù)；

H—熱源高度；

r—焊件任意點(diǎn)至電弧加熱中心的距離；

h—熱源任意界面高度；

m—熱源上下表面熱流峰值調(diào)節(jié)系數(shù)。

1.3 材料物理性能參數(shù)

材料的熱物理性能對(duì)激光焊的溫度場(chǎng)分布及焊縫成形有著非常重要的影響，其物理性能參數(shù)直接影響溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的形態(tài)和大小[9]。在對(duì)D500鋼激光焊溫度場(chǎng)的模擬分析時(shí)必須確定以下熱物理性能參數(shù):焊件的初始溫度、焊件的熔點(diǎn)、材料的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流換熱系數(shù)和比熱容。除了材料熔點(diǎn)、工件初始溫度（20℃）和材料密度是常數(shù)外，材料的其他屬性參數(shù)都是溫度的函數(shù)。D500鋼物理性能參數(shù)[10]見表1和表2。

表1 D500鋼溫度場(chǎng)分析熱物理性能參數(shù)

表2 D500鋼應(yīng)力場(chǎng)分析熱物理性能參數(shù)

1.4 有限元模型的建立

在焊接溫度場(chǎng)模擬過(guò)程中，由于焊縫及熱影響區(qū)溫度很高，溫度梯度很大，故這些區(qū)域網(wǎng)格劃分相對(duì)于母材區(qū)域要精細(xì)。本研究所描述的模擬過(guò)程中，焊縫區(qū)采用的網(wǎng)格單元尺寸為0.2 mm×1 mm×1 mm，母材區(qū)采用較粗網(wǎng)格，網(wǎng)格單元尺寸為2 mm×1 mm×1 mm。網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 有限元網(wǎng)格劃分

1.5 初始條件與邊界條件

將焊接試樣的初始溫度設(shè)置為環(huán)境溫度，即室溫20°C。焊接過(guò)程中，焊件與外界同時(shí)存在著對(duì)流和輻射，由于焊接過(guò)程的對(duì)流和輻射過(guò)程非常復(fù)雜，因此，為了簡(jiǎn)化整個(gè)計(jì)算過(guò)程，采用一個(gè)總傳熱系數(shù)， 即為20 W/（m2·K）。邊界條件即在模型的yz面及z方向工件底部施加邊界條件，如圖2所示。

圖2 施加邊界條件

2 結(jié)果及分析

2.1 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

圖3所示為t=6 s時(shí)的焊接溫度場(chǎng)分布云圖。由圖3可知，在焊接過(guò)程中的整個(gè)溫度場(chǎng)變化情況都是經(jīng)歷了一個(gè)從非穩(wěn)態(tài)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)再到非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程。在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，等溫線的形狀基本是一樣的，只是隨著熱源的移動(dòng)而移動(dòng)，熱源上表面近似為圓形，這與激光落在工件上的光斑呈圓形是相符合的。

圖3 t=6s時(shí)的焊接溫度場(chǎng)分布云圖

圖4所示為縱截面方向在4 s時(shí)刻的熱循環(huán)曲線。由圖4可以看出，焊接時(shí)試板經(jīng)歷了一個(gè)緩慢升溫和快速降溫的過(guò)程，且最高溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于材料的熔點(diǎn)。因此，實(shí)際焊接時(shí)在中心部位不可避免地要發(fā)生一定的變化，由于溫度梯度大，引起材料的熱膨脹系數(shù)不同，容易在焊縫周圍產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力應(yīng)變，從而容易產(chǎn)生缺陷。

圖4 縱截面方向在4 s時(shí)刻的熱循環(huán)曲線

2.2 焊縫模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較

圖5為有限元模擬的焊接熔池邊界與實(shí)際焊縫熔合線的比較。從圖5可以看出，模擬的焊接熔池邊界處的溫度達(dá)到D500鋼熔化溫度1 500℃以上，且其釘頭狀焊縫形貌與焊縫熔合線基本吻合，實(shí)際焊縫尺寸與有限元模擬尺寸見表3，且尺寸誤差均在范圍內(nèi)。

圖5 模擬焊縫形狀與試驗(yàn)焊縫形狀對(duì)比

表3 實(shí)際焊縫尺寸與有限元模擬尺寸

2.3 應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)果及與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖6所示為t=6 s時(shí)的等效應(yīng)力分布云圖。由圖6可以看出，等效應(yīng)力主要分布在焊縫及熱影響區(qū)，等效應(yīng)力的峰值則出現(xiàn)在熔合線附近，這是因?yàn)楹附舆^(guò)程的熱量很大一部分集中作用于熔合區(qū)，造成了焊件溫度急劇升高而膨脹并產(chǎn)生應(yīng)力。并且隨著熱源的不斷移動(dòng)，等效應(yīng)力的峰值也會(huì)隨之移動(dòng)。

圖6 t=6s時(shí)的等效應(yīng)力分布云圖

圖7所示為試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的殘余應(yīng)力對(duì)比。采用X射線法測(cè)得D500鋼殘余應(yīng)力分布曲線如圖7（b）和圖7（d）所示。由圖7可以看出，焊縫處數(shù)值模擬出的焊接殘余應(yīng)力基本上與試驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果相對(duì)應(yīng)，曲線變化趨勢(shì)基本一致。從圖7（a）和7（b）中可以看出， 各路徑橫向應(yīng)力分布情況基本相同，焊縫中心承受壓應(yīng)力，壓應(yīng)力最大值為305.2 MPa，遠(yuǎn)離焊縫中心的地方壓應(yīng)力逐漸減小，在距離焊縫中心位置約17.5 mm處橫向應(yīng)力為拉應(yīng)力，并呈對(duì)稱分布。從圖7（c）和7（d）可以看出，縱向應(yīng)力整體為拉應(yīng)力，從起焊位置至10 mm處拉應(yīng)力逐漸增大，拉應(yīng)力最大值為254.6 MPa，焊縫中段出現(xiàn)了一個(gè)穩(wěn)定區(qū)，板邊處應(yīng)力為0。這是因?yàn)榘宓亩嗣媸亲杂蛇吔?，端面之外沒(méi)有材料，其內(nèi)應(yīng)力值自然為0。然后拉應(yīng)力又逐漸減小至最小值，并呈對(duì)稱分布。比較分析可知，模擬的應(yīng)力曲線分布與試驗(yàn)測(cè)得應(yīng)力分布曲線形狀相近，但數(shù)值偏小。這可能是由于熱物理參數(shù)選擇不當(dāng)、載荷步設(shè)置不合理等原因引起的。

圖7 模擬的殘余應(yīng)力分布和試驗(yàn)應(yīng)力對(duì)比

3 結(jié) 論

（1）采用橢球-柱體組合式熱源模型，可以對(duì)5 mm厚的D500鋼激光焊的溫度場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，模擬所得焊縫形狀和實(shí)際焊縫截面形狀比較接近。

（2）通過(guò)模擬計(jì)算可以看出，沿焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力從起焊端逐漸上升，在中部附近達(dá)最大值之后經(jīng)過(guò)穩(wěn)定區(qū)后逐漸下降，并且表現(xiàn)為拉應(yīng)力；橫向殘余應(yīng)力中間為壓應(yīng)力，兩端為拉應(yīng)力。

（3）由試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比分析可知，數(shù)值模擬結(jié)果與測(cè)量的焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律曲線形狀基本一致，但數(shù)值有差距。

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Numerical Simulation of D500 Steel Laser Welding

XU Xinhou1,LI Xianfen1,ZHAO Xiaoqiang1,ZHOU Wei1,2
(1.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.School of Mechanical and Aerospace Engineering,Nanyang Technological University,Singapore,Singapore 639798,Singapore)

Based on ANSYS finite element analysis software,with 5 mm thickness D500 steel as the research object,it adopted equally distributed cylinder heat source and ellipsoid-cylinder hybrid heat source to build source model of laser welding.For D500 steel laser welding temperature field and stress field simulation calculation were conducted,and compared the calculation result with weld shape obtained from test and residual stress after welding.The results indicated that the numerical simulation result is consistent with the test results;showed that the heat source model has certain applicability.

D500 steel;heat source model;laser welding;temperature field;stress field;numerical simulation

TG456.7

A

1001－3938（2015）06-0016-04

許新猴（1990—），碩士研究生，研究方向?yàn)榧す怆娀?fù)合焊接技術(shù)。

2015-03-03

黃蔚莉