1、第2 4卷第2期2 00焊接學(xué)報(bào)vOl. 24AprilNo. 2 2 0 0 33年4月TRANSAC nONSOFTHECHINA礙砸L D INGINSn TU r n ON激光焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬薛忠明，顧蘭，張彥華（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院。北京1 0 0 0 8 3 ）摘要：深入分析了激光焊接小孔傳熱模型的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上選取合適的熱源形 式，研究了移動(dòng)線熱源和高斯分布熱源作用下，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)激光焊接溫度場(chǎng)。 利用MAT LAB軟件及AN s Y S有限元分析程序?qū)す夂附訙囟葓?chǎng)分別進(jìn) 行了計(jì)算及模擬，并且將兩種分析結(jié)果進(jìn)行了比較。最后還將有限元的模擬值與 實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)

2、比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了小孔模型與高斯熱源在激光焊接溫度場(chǎng)模 擬中的適用性。關(guān)鍵詞：激光焊接；溫度場(chǎng)；有限元；ANsYs 中圍分類號(hào)：1嘶6O文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0253360 x（2003） 01 7 9 0 4薛忠明序言實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了小孔模型與高斯熱源在激光焊接溫度場(chǎng)模擬中的 適用性（板厚4 mm） o激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密的焊接方法。激光 焊接具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣 泛應(yīng)用于航空航天、汽車、微電子、輕工業(yè)、醫(yī)療及核工業(yè)等要求高精度和高質(zhì) 量的焊接領(lǐng)域。1激光焊接中的小孔傳熱模型當(dāng)激光功率密度達(dá)到1

3、0 6W, /c m 2時(shí)，激光能量由于激光焊接是一巾陜速而不均勻的熱循環(huán)過程，焊縫附近出現(xiàn)很大的溫度梯度，因此在焊后的結(jié)構(gòu)中也會(huì)出現(xiàn)不同程度的殘 余應(yīng)力和變形，這些都成為影響焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量和使用性能的重要因素。準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)焊接熱過程，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、顯微組織分析以及最終的焊接質(zhì)量控制具 有重要意義。2 0世紀(jì)7 0年代以來，國外很多學(xué)者對(duì)激光焊接機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，提出 了蒸汽小孔模型。考慮熔池形狀以及熔池中金屬的流動(dòng)和熱流分布，考慮電子密 度、離子化程度、等離子體對(duì)入射激光的吸收系數(shù)和激光焊接工藝參數(shù)對(duì)熔深的 影響，建立了不同的能量吸收模型。這些研究偏向于應(yīng)用物理和量子力學(xué)的 研究領(lǐng)域，

4、在實(shí)際工程分析中存在一定的局限性。在國內(nèi)，有關(guān)激光焊接機(jī)理以 及激光焊接溫度場(chǎng)與力學(xué)場(chǎng)的數(shù)值模擬方面的研究正在引起重視。作者深入分析了激光焊接小孔傳熱模型，在此基礎(chǔ)上選取合適的熱源形式，研究 了移動(dòng)線熱源和高斯分布熱源作用下，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)激光焊接溫度場(chǎng)。利用MA 1 1 A B軟件及AN SY s有限元程序?qū)す夂附訙囟葓?chǎng)分別進(jìn)行了計(jì)算及模 擬，并且將兩種分析結(jié)果進(jìn)行了比較。最后還將有限元的模擬值與 收稿日期：2002 0 7 1 2向工件輸入的速率遠(yuǎn)大于傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射散熱的速率，材料表面產(chǎn)生汽化而形 成小孔，激光能量是通過小孔而進(jìn)行轉(zhuǎn)換和傳遞的。激光焊接中熔池與小孔的幾何特征如圖1所示。焊

5、件表面被加熱、熔化、蒸發(fā)， 在蒸汽壓力的作用下形成小孔，當(dāng)小孔產(chǎn)生的蒸汽壓力與熔池中液體金屬的靜應(yīng) 力達(dá)到平衡時(shí)，小孔是穩(wěn)定存在的固 1 H g . 1激光焊接熔池與小孔幾何特征囤G岫 e t I萱c f 嘲u I囂0 fmo 1 t e nandkeyhOIeinpoolJ e r w e 刈咂 g激光焊接中，小孔與工件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)量擴(kuò)散和熱量擴(kuò)散的相對(duì)程度由佩克萊特準(zhǔn) 萬方數(shù)據(jù)8 0焊接學(xué)報(bào)第2 4卷數(shù)(Pec 1 e tnumbe r)表示P e =等，(1)式中：蜥為焊接速度；z。為小孔半徑；口 0為材料的熱 擴(kuò)散率，n o =&伽，k為工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)；p為密 度；c

6、為比熱。激光焊接中形成的小孔半徑k可由下式計(jì)算k : a (等)粼，式中：6為焊縫的半寬；蜥為焊接速度；/ ,為歐拉常數(shù)，y,;O.5772;K.為固態(tài)金屬的熱擴(kuò)散率，取值同口。； k為液俸 金屬的導(dǎo)熱系數(shù)；.為固態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)；t為材料的沸點(diǎn)；氣為材料的熔 點(diǎn)；%為周圍環(huán)境溫度。研究表明，對(duì)于通常的激光焊接規(guī)范，P.值小于O. 2,小孔可近似為柱面。 從傳熱學(xué)角度。這是一個(gè)移動(dòng)的小圓柱面熱源問題。由于小孔的直徑(小于O. 4mm)相對(duì)于工件尺寸很小，所以還可以倚化為移動(dòng)線熱源問題。由于小孔的形成。激光能量是沿軸分布在整個(gè)厚度上。又因 為工件的厚度較小(一般4一)，所以可以認(rèn)為在板厚方向沒有

7、溫差，熱量在面上傳播，溫度場(chǎng)分布是二維的。2激光焊接熱源模型激光器輸出的聚焦激光光斑的功率密度分布近似為高斯分布，考慮熱輸入為體熱 源生熱，且該高斯熱源在板厚方向均勻穿透。高斯熱源的功率密度分布為水，y )=摹唧業(yè)掣1 , ( 3 )式中：d為熱流集中程度系數(shù)，對(duì)應(yīng)于。取1 , 2, 3的值時(shí)，高斯熱源的能量 分布百分比分別為6 3. 2%, 86. 4%, 95. 02%; r .為熱流分布的 特征半徑；P為有效功率，取入射激光功率Po的4 0%6 0%。激光焊接高 斯熱源的功率密度分布如圖2所示。3 激光焊接溫度場(chǎng)模擬3 . 1移動(dòng)線熱源條件下準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)遵度場(chǎng)計(jì)算模型對(duì)于無限擴(kuò)展板上作用勻速直

8、線運(yùn)動(dòng)線狀熱源（速度為蜥，厚度方向的熱功率為/ A）時(shí)，距移動(dòng)熱源r處的溫度r （坐標(biāo)x為熱源移動(dòng)方向）的理論計(jì)算式31為萬方數(shù)據(jù)圈2激光焊接熱一膏斯分布圈晰2蟲曲m鯽h旺立由0 f b哪刪m 1瓣州曲堰卜2赤6 1f咖K （括+詈），（4）式中：h為板的厚度；K為第二類、零階修正貝塞爾函數(shù)；傳熱系數(shù)d = 2% + a。）/q旃，a0為對(duì)流換熱系數(shù)；a。為輻射換熱系數(shù)；人為熱導(dǎo)率。 使用式（4）,代人材料特征參數(shù)，就可以計(jì)算出準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)激光焊的溫度場(chǎng)分布。 在溫度場(chǎng)的理論計(jì)算中，采用激光入射功率P o = 2 0 0 0 w,焊接速度蜥=2 5 m n/8 ,坐標(biāo)系隨熱源移動(dòng)，*軸表示工件的運(yùn)動(dòng)

9、方向，y軸與之垂直，都 以毫米為單位。圖3給出了由Ma山1 b計(jì)算出的理想的低碳鋼板激光焊接溫度 場(chǎng)分布。3. 2激光焊接溫度場(chǎng)有限元分析3 . 2. 1控制方程非線性瞬態(tài)二維熱傳導(dǎo)問題的控制方程為甲警=未（乂期+茜（+（ 5 ）甲面2磊1 ”瓦J+面I。面J+V,式中：Q為內(nèi)熱源強(qiáng)度。3.2. 2初始條件與邊界條件初始條件：當(dāng) 二0時(shí)，工件具有均勻的初始溫度，一般為周圍環(huán)境溫度。r = %。（6）邊界條件：首先考慮熱源作用的高斯熱流分布。另外，表面對(duì)流與輻射的 換熱邊界條件為A 芝=a （ r 一%）,（7）式中：a為總換熱系數(shù)。在AN s Y S有限元分析模型中，選取s o H d 7 0

10、作 為瞬態(tài)熱分析單元。實(shí)際采用該單元所進(jìn)行的分析為三維分析。只是在激光焊接時(shí)施加厚度方向均布的高斯體熱源，整個(gè)焊件的溫 度場(chǎng)都可用表面二維溫度場(chǎng)分布近似表示。焊縫中心線和熱影響區(qū)由于會(huì)出現(xiàn)溫度梯度極高的區(qū)域，所以器采用加密網(wǎng)格。第2期薛患明，等：激光焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬8 1圈4激光焊接噩度塌模擬有限元舟格劃分啦.4 n n I k咖刪m哺f o r岫岬帆 鯽d d m u h岫h 1姍卅哦ling 4結(jié)果分析考慮材料導(dǎo)熱系數(shù)與比熱等熱物理參數(shù)的溫度萬方數(shù)據(jù)相關(guān)性，研究非線性瞬態(tài)條件下，激光焊接的溫度場(chǎng)分布m :同樣采用激光入射功率P 0 = 2 0 0 0 w,焊接速度蜥=2 5ml n/s

11、,人焦量取O . 5 m。工件材料為低碳鋼，材 料規(guī)格為100 oo0mX4m。瞬態(tài)有限元模擬結(jié)果如圖5所示。圈5工件在 不同時(shí)刻的蕾度場(chǎng)分布期Fig. 5腳n岫弛刪b刪 80 f硼州呻慨n棚m慨缸 平板中心點(diǎn)的熱循環(huán)曲線如圖6所示，它清楚地表示了焊縫中心點(diǎn)的冷卻速度以 及所能達(dá)到的峰值溫度。對(duì)比以上兩種模型的結(jié)果可以看出有限元模擬的乎板中 心點(diǎn)峰值溫度與移動(dòng)線熱源模型的峰值溫度都遠(yuǎn)大于材料的熔點(diǎn)，約為2 4 5 0 C。從I = 1 5 s開始到接近焊接結(jié)束時(shí)，瞬態(tài)有限元分析的激光焊接溫度場(chǎng) 基本處于準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，而且熔池與熱影響區(qū)的形狀及尺寸大小與采用移動(dòng)線熱3 OJOL/nuoS JO l

12、empentme iliUriMicn m a ijirfon25002UUU-M TO 010 2G問 Imiprntjro diUnMUg u y diwttonYJ -2U0 7nYJ -2U0 7nOteuuce t/ianli)ic| hodwm fcr bv caiboe. .1ma除規(guī)嗤怏條件下n常態(tài)遇x6分布Fife. 3 QtuudYledy tempeniliirt dblrlbulintifor a moving Inc beat nourcc激光憚溫度場(chǎng)有限元網(wǎng)格劃分如圖4所示源模型計(jì)算的結(jié)果極為相似。 焊接學(xué)報(bào)第2 4卷2 5 0 02 0 0 0 15 0 01 0

13、 OO 5 0 0 0 4 812162024283 23 6柏 Time f/8圖6平板中心點(diǎn)的熱循環(huán)曲線 M. 61 km岫留d e a州e0 fp 1 a k 啪 t e r在工件表面依次取坐標(biāo)點(diǎn)A (25, 5)、B (50, 3)、圈7平板中的模擬 與測(cè)量點(diǎn)n g 7S h u 1州仰帥d娃pe血I蟲由tpo 1 nbI nplate# = = o 1、CI人j、一 k皇娜咖哪伽詈姍暑瑚協(xié)O481 26048 3 260啊口 t /O 1B圈8模擬值與實(shí)測(cè)位的比較萬方數(shù)據(jù)示。可以看出，兩者基本吻合，從而驗(yàn)證了溫度場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性。5結(jié)論封激光焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行了移動(dòng)線熱源條件下準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

14、計(jì)算，對(duì)高斯分布熱源作用下的激光焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行了二維瞬態(tài)有限 元分析。對(duì)比以上兩種模型的結(jié)果可以看出，有限元模擬的平板中心點(diǎn)峰值溫度 與利用移動(dòng)線熱源模型計(jì)算的峰值溫度都遠(yuǎn)大予材料的熔點(diǎn)。另外，瞬態(tài)有限元 分析中焊接溫度場(chǎng)存在一段較長時(shí)間的準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，且由兩模型獲得的熔池與熱 影響區(qū)的形狀和尺寸大小極為相似。通過平板上A、B、c三點(diǎn)的熱循環(huán)曲線的模擬值與實(shí)測(cè)值相比較，驗(yàn)證了小孔模型和高斯熱源在激光焊接溫度場(chǎng)模擬中的適用性(板厚 4 mm) o參考文獻(xiàn)1朱企業(yè).激光精密加工(M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1 9 9 012 k e JY, K osH. F 啪DF , o f . Ms h帆 i s

15、mdkeyhde fo 開Ba don 虹 dmb 訂竹 i n 咖 t i 刪8 ry %owdd i ng J . J 伽 md ofPhys icsD: ApHicdPhys ics. 2 0 0 2, 35 (13) : 1 5 7 0157 6 .3拉達(dá)伊D.焊接熱效應(yīng)D.北京：機(jī)械工業(yè)出版杜，1嘶.4徐九華，羅玉梅，張靖周.激光焊接傳熱過程的數(shù)值計(jì)算J東南大學(xué)學(xué)報(bào)，1999,29 (11):62 6 7.c 刪 i 印趴 i c , M刪 R, T b ; G. T訕 e i e n tn沁d唧e n t立由m y硝8ofd6cppemtr86帆las盯weldigprocess

16、i n ad n 出。p 螂 b u n ?們1一 d e d t m c kB 1 e e 1plk J co bu 把 rMethod8 4由 ApmiedMechJJfic BEnUn 8d g , 1999, 179 (3) : 197214. 6 B邢吁m蟲由nc , M a 1 1 d cA o Ben啦廿n . c砌p d啪o fe 1 p e d 一 t d 11竹岫n 1拍盯b c 8 m枇1 d i gde fe 月中 i ncdSIdnumedca 1 d肌 1 dLedt 哪 F 州心 m 6dd sfor0 fgtee 1 岫 d dumK囪A110y q皿一i 鏟J

17、 . Els 州 i 盯 s d c 呻 chd, 2 咖，10 (33):453463.作者簡介：薛忠明，男，1 9 7 1年出生，博士研究生。主要從事焊接結(jié)構(gòu)c A E以及焊接熱力過程數(shù)值模擬等方面的研究。發(fā)表論文6篇。 Eman: x I 1 c ffl 1 1 i Bvip. dVI. comc (75, 1 . 5 )三點(diǎn)，用于試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的比較，如圖7所示。試驗(yàn) 采用與模擬相同的焊接規(guī)范，采用熱電偶測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行焊接熱循環(huán)測(cè)定，試驗(yàn)測(cè) 得各點(diǎn)的熱循環(huán)曲線與模擬熱循環(huán)曲線對(duì)比如圖8所WANFANO DATA文獻(xiàn)鏈接WANFANO DATA文獻(xiàn)鏈接ElPKU|激光焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

18、作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次數(shù)：薛忠明，顧蘭，張彥華北京航空航天大學(xué)，機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京,100083焊接學(xué)艮 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDINGINSTITUTION2003,24(2)22 次參考文獻(xiàn)(6條).朱企業(yè)激光精密加工1990.Lee J Y.Ko S H.Farson D F Mechanism of keyhole formation and stability in stationary laser welding 外文期刊2002(13).拉達(dá)伊D焊接熱效應(yīng)1997.徐九華.羅玉梅.張靖周 激光焊接傳熱過程

19、的數(shù)值計(jì)算1999(11).Carmignani C.Mares R.Toselli G Transient finite element analysis of deep penetration laser weldingprocess in a singlepass butt-welded thick steel plate文期干U 1999 6.Bruggemann G.Mahrle A.Benziger Th Comparison of experimental determined and numerical simulatedtemperature fields for qua-l

20、ity assurance at laser beam welding of steel and aluminous alloyings2000(10) 引證文獻(xiàn)(22條).宋榮武.李萌盛.孫芳芳不銹鋼薄板激光焊熱源模型的探討期刊論文卜應(yīng)用激光 2009(6).米國發(fā).趙大為.牛濟(jì)泰鋁合金平板變極性等離子弧焊數(shù)值模擬與殘余應(yīng)力預(yù)測(cè) 期刊論文卜熱加工工藝2009(5).李志軍.王紅英.莫守形薄板鎂合金激光焊接專用焊槍的設(shè)計(jì)期刊論文卜焊接技 術(shù) 2008(6).余淑榮.樊丁 .熊進(jìn)輝異厚度鋁合金薄板激光拼焊應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)數(shù)值模擬期刊論文卜焊接學(xué)報(bào)2008(10).曾祥呈.黃健文.張慶茂激光焊接過程溫度場(chǎng)的模擬期刊論文卜應(yīng)用激光2008(3).周永濤.丁林.李明喜低碳鋼激光焊接溫度場(chǎng)模擬期刊論文-應(yīng)用激光2007(5).鐘榮華.金湘中基于鋁合金激光深熔焊接溫度場(chǎng)研究期刊論文-機(jī)械制造2007(8).徐明剛.張建華.張勤河.任升峰 超聲振動(dòng)輔助氣體介質(zhì)電火花加工硬質(zhì)合金表面裂紋特性期刊論文-制造技術(shù)與機(jī)床2007(1).王貴.陳根余.伍強(qiáng).申曉龍 鍍鋅