異厚度6005A鋁合金激光拼焊數(shù)值模擬

張?zhí)煊睿?陳 華

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

在當(dāng)今運(yùn)輸制造行業(yè)中，為了減輕運(yùn)載工具的自重，越來越多地采用輕金屬材料提高運(yùn)輸效率。而鋁合金具有塑性好、低密度、易于加工成形、耐大氣腐蝕及無低溫脆性轉(zhuǎn)變等諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽車輕量化、高速軌道客車等[1-3]。鋁合金激光拼焊是將若干不同大小型材的鋁合金進(jìn)行自動(dòng)拼合、焊接而形成一塊整體型材、板材、夾芯板等的主要方法。由于激光焊接是一種快速且不均勻的熱循環(huán)過程，焊縫附近會(huì)產(chǎn)生很大的溫度梯度，在整體結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)由于溫度梯度造成的不同程度熱應(yīng)力，這些都是影響焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量和使用性能的重要因素之一，因此，調(diào)節(jié)設(shè)置激光參數(shù)，使得鋁合金激光拼焊時(shí)能得到滿意的焊縫質(zhì)量是一個(gè)前沿?zé)狳c(diǎn)問題[4]。

有限元的建模、邊界條件及載荷的合理設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)化是保證模擬激光拼焊焊接時(shí)，熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算準(zhǔn)確性的前提。激光拼焊時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變產(chǎn)生的根本原因在于焊接過程中不均勻的加熱和冷卻，而對(duì)激光焊接溫度場(chǎng)的研究是分析激光焊接應(yīng)力和應(yīng)變的前提，溫度場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性又取決于焊接熱源的模型。目前，絕大多數(shù)文獻(xiàn)對(duì)焊接溫度場(chǎng)的熱源加載進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，例如采用高斯熱源模型模擬電弧焊溫度場(chǎng)，又如采用高斯熱源及內(nèi)熱源結(jié)合的方式對(duì)深熔焊溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，此外還有雙橢球型熱源等其它熱源模型。但是這些簡(jiǎn)化的熱源模型都忽略了焊接過程中金屬的填充，使得模擬結(jié)果必然會(huì)產(chǎn)生一定量的偏差[5-6]。ANSYS的高級(jí)應(yīng)用“生死”單元技術(shù)可以很好地解決焊接時(shí)金屬的填充問題。利用“生死”單元法模擬鋁合金激光拼焊時(shí)金屬的熔敷過程無疑是對(duì)設(shè)計(jì)焊接工藝、減少焊接缺陷、控制焊縫成形質(zhì)量具有重要的理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[7]。

1 有限元分析模擬過程

1.1 熱源的模型

在異厚度鋁合金激光拼焊時(shí)，隨著光斑的移動(dòng)，焊縫處的熔敷金屬以液態(tài)形式從下至上逐步填充焊縫直到焊接完成。由于激光是高密度的能量光束，因此，焊縫金屬?gòu)墓虘B(tài)到液態(tài)的升溫時(shí)間極短，本實(shí)驗(yàn)假設(shè)焊縫金屬的加熱升溫階段為0.01 s。通過文獻(xiàn)得知，焊縫表面金屬受到高斯熱源模型熱流密度，焊縫縱向深度為小孔模型熱流密度，因此，直接將焊接熔池金屬溫度假定為某一固定值（約為1 800～2 100℃），同時(shí)，由于激光拼焊的焊縫缺陷徑向尺寸較小，因此，將焊縫熔敷金屬溫度作均勻化處理。

在模擬焊接過程中，利用APDL語(yǔ)言編制子程序?qū)缚p單元按Z，Y，X從小到大的順序排序，使得模擬焊接時(shí)熔敷金屬?gòu)南碌缴现鸩教畛浜缚p。求解計(jì)算前先將焊縫單元全部“殺死”，在后續(xù)求解過程中將焊縫單元按排列好的順序激活單元，同時(shí)對(duì)激活單元的節(jié)點(diǎn)施加溫度載荷。最后，當(dāng)該激活單元在規(guī)定的焊接時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算后刪除該激活單元的載荷，再繼續(xù)依次激活單元加載直至焊接完成。

1.2 邊界條件

激光拼焊時(shí)熱能的損失主要是金屬表面跟空氣的對(duì)流換熱和熱輻射作用有關(guān)。隨著溫度的升高，熱輻射越來越強(qiáng)烈。這里把表面換熱系數(shù)（α）看成是對(duì)流換熱系數(shù)（αb）和熱輻射換熱系數(shù)（αc）的總和，即:

因此，邊界條件為:

式中:k——材料導(dǎo)熱率;

n——邊界表面外法線方向;

T——焊件表面溫度;

T0——周圍介質(zhì)溫度，文中取20℃。

1.3 相變潛熱

焊接過程中熔敷金屬經(jīng)歷了固態(tài)-液態(tài)-固態(tài)物理相變過程，在相變過程中又伴隨著吸熱與放熱的過程，可見相變潛熱會(huì)對(duì)溫度場(chǎng)造成一定的影響。可以采用等效比熱容法來計(jì)算相變潛熱的影響。

等效比熱容法是通過對(duì)比熱容量在材料的熔化溫度范圍內(nèi)迅速上升或下降的變化來計(jì)算相變潛熱對(duì)結(jié)構(gòu)熱焓值的影響。等效比熱容法按下式計(jì)算:

式中:C——不考慮相變潛熱時(shí)的比熱容;

Cβ——等效比熱容;

ΔT——凝固溫度范圍;

ΔQ——相變潛熱[8]。

1.4 光致等離子體和熔池對(duì)流的影響

在激光拼焊時(shí)等離子體位于工件表面上方，對(duì)激光束產(chǎn)生反射和折射作用，焊接時(shí)造成一定的能量損失，在模擬過程中適當(dāng)?shù)販p小激光束的效率系數(shù)來考慮。

因?yàn)椤吧馈眴卧ㄊ侵鸩郊せ詈缚p單元，所以，熔池對(duì)流對(duì)溫度場(chǎng)造成的影響就通過增加有效液體熱傳導(dǎo)率來近似考慮對(duì)流的增強(qiáng)，即適當(dāng)提高熔點(diǎn)溫度以上的導(dǎo)熱系數(shù)來近似地考慮熔池對(duì)流的影響。

2 有限元模型的建立

2.1 網(wǎng)格劃分

由于異厚度激光拼焊是非線性瞬態(tài)的熱過程，溫度變化范圍很大，因此，必須考慮鋁合金的力學(xué)性能隨溫度的變化而變化。對(duì)溫度范圍內(nèi)未知的數(shù)值采用插值法進(jìn)行估算，對(duì)溫度范圍外未知的數(shù)值采用外推法軟件自動(dòng)運(yùn)算取值，鋁合金力學(xué)性能見表1。

表1 鋁合金力學(xué)性能

模擬試件采用異厚度的6005A鋁合金試板，尺寸分別為200 mm×50 mm×4 mm和200 mm ×50 mm×3 mm。選擇 3D熱實(shí)體單元SOILD70和3D結(jié)構(gòu)單元SOILD185。由于激光焊接是一種高密度的能量光束，有效加熱區(qū)域非常小，焊縫寬度也很小，假設(shè)焊縫寬度為1 mm。由于激光焊接時(shí)能量主要作用于焊縫，且熱影響區(qū)不是很大，因此，對(duì)焊縫中心附近采用密集型網(wǎng)格劃分以保證模擬計(jì)算時(shí)的精度。遠(yuǎn)離焊縫熱影響區(qū)的地方由于溫度梯度不是很大，因此采用相對(duì)較大的網(wǎng)格，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分

焊縫中心處非斜邊網(wǎng)格尺寸約為0.25 mm ×0.33 mm×1 mm。單元總數(shù)為4 680，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為6 696。

2.2 測(cè)量點(diǎn)的選定

在薄厚板距端面100 mm，距焊縫中線3，8，13 mm處分別取3點(diǎn)A，B，C和A′，B′，C′，作為熱影響區(qū)的測(cè)量點(diǎn)。另在焊縫區(qū)距端面100 mm處取中心點(diǎn)H作為焊縫測(cè)量點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 試件測(cè)量點(diǎn)分布

3 模擬結(jié)果

當(dāng)激光的入射功率P0=2 500 W，焊接速度V=10 mm/s，激光光斑半徑R0=0.4 mm，熱效率η=70%時(shí)，得出以下數(shù)據(jù)及分析結(jié)果。

3.1 激光拼焊過程中的溫度場(chǎng)分布

不同焊接時(shí)刻的溫度場(chǎng)云圖如圖3所示。

當(dāng)激光移動(dòng)1 s后，試件上形成了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。隨著熱源不斷地前移，前方未焊處也被稍許預(yù)熱，因此，每當(dāng)熱源到達(dá)一處，溫度峰值不斷地達(dá)到新高。

圖3 不同時(shí)刻溫度場(chǎng)的云圖

焊縫中點(diǎn)H溫度循環(huán)如圖4所示。

圖4 焊縫中點(diǎn)H溫度循環(huán)

從圖4可以看出，由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)大，激光拼焊時(shí)焊縫處鋁合金升溫、降溫這一過程在很短的時(shí)間內(nèi)完成。在激光將要到達(dá)前，溫度漲幅才將近200℃，而當(dāng)熱源到達(dá)測(cè)量點(diǎn)H時(shí)，溫度瞬間上升到1 800℃以上，平均溫度梯度達(dá)到500℃/s以上。當(dāng)熱源走后，又快速降溫到400℃左右再逐步緩慢降溫。

3.2 熱影響區(qū)的溫度循環(huán)

薄厚板測(cè)量點(diǎn)的溫度變化如圖5所示。

圖5 不同測(cè)量位置的溫度循環(huán)對(duì)比

從圖5（a）和（b）中可以看出，熱影響區(qū)測(cè)量點(diǎn)峰值不同，離焊縫中心位置越近的點(diǎn)，其能達(dá)到的最高溫度越高（A點(diǎn)為569℃，A′點(diǎn)為712℃）。同一試板越靠近焊縫中心位置的測(cè)量點(diǎn)，其從室溫升高到峰值溫度所需要的時(shí)間越短（A點(diǎn)為10.5 s，B點(diǎn)為11 s，C點(diǎn)為11.8 s）。從測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，鋁合金激光拼焊時(shí)熱影響區(qū)的溫度梯度非常大，最大處可達(dá)120℃/mm，較小處也達(dá)到了60℃/mm，這就造成了熱影響區(qū)的熱應(yīng)力集中。薄厚板相同對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)各時(shí)刻的溫度都不相同（見圖5（c）），通過對(duì)比可以看出，薄板的溫度場(chǎng)范圍比厚板大，同一對(duì)應(yīng)點(diǎn)的時(shí)刻溫度也高于厚板。這是由于在相同的熱輸入量時(shí)，薄板的加熱體積比厚板小，因此升溫、降溫皆略快于厚板，產(chǎn)生的溫度梯度也稍微大些，導(dǎo)致薄板熔池尺寸及熔化范圍都比厚板稍大些。

3.3 焊接應(yīng)力場(chǎng)分布

激光拼焊5 s時(shí)應(yīng)力場(chǎng)的等值分布云圖如圖6所示。

圖6 焊接5 s時(shí)應(yīng)力場(chǎng)云圖

從圖6可以看出，異厚度6005A鋁合金激光拼焊時(shí)熱應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律與普通熔焊方法時(shí)的分布相似。整個(gè)焊接過程中焊縫區(qū)受到壓應(yīng)力，母材區(qū)受到拉應(yīng)力，這是因?yàn)樵诤附舆^程中，焊縫金屬受熱膨脹，在膨脹過程中受到周圍母材的拘束，所以在焊縫區(qū)產(chǎn)生了壓應(yīng)力。

不同測(cè)量位置的熱應(yīng)力循環(huán)對(duì)比如圖7所示。

圖7 不同測(cè)量點(diǎn)熱應(yīng)力循環(huán)對(duì)比

從圖7中可以看出，在熱源未到達(dá)時(shí)，熱應(yīng)力逐步提升，熱源過后逐步降低，且焊縫中心受到的熱應(yīng)力各個(gè)時(shí)刻都高于兩側(cè)。這是由于當(dāng)熱源臨近及經(jīng)過時(shí)焊縫中心的溫度梯度都高于熱影響的溫度梯度。在相同熱輸入量的情況下，由于薄板熔寬比厚板稍寬，溫度梯度略大，降溫稍快，所以薄板的塑性變形范圍略大于厚板，應(yīng)力場(chǎng)的范圍及峰值都相應(yīng)較大些。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）激光作用一定時(shí)間后在焊件上形成準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。越是離焊縫中心近，溫度峰值就越高（焊縫中心處可達(dá)到1 812℃左右），且能到達(dá)峰值時(shí)間越短，最外緣為溫度最低處。熱源將要到達(dá)時(shí)，溫度梯度很大，達(dá)到500℃/s左右，熱源過后快速降溫。

2）薄板和厚板溫度場(chǎng)存在一些差異，薄板體積小，導(dǎo)熱快，使得薄板的溫度場(chǎng)范圍略大，熔池尺寸也比厚板稍大，薄板熔化范圍比厚板略大。

3）在溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果基礎(chǔ)上，進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)有限元分析，得出熱應(yīng)力分布規(guī)律與普通熔焊方法時(shí)相似。薄板應(yīng)力分布規(guī)律與厚板相似，但薄板熱應(yīng)力場(chǎng)范圍及峰值稍大于厚板。

[1] 左鐵釧.高強(qiáng)鋁合金的激光加工[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[2] Hecht J.Solid-State High-Energy Laser Weapons [J].Optics&Photonics News，2003（1）:58-61.

[3] Eibl M，Sonsino C M，Kaufmann H，et al.Fatigue assessment olaser welded thin sheet aluminum[J]. International Journal of Fatigue，2003，25（8）:719-731.

[4] 熊進(jìn)輝，余淑榮，樊丁，等.異厚度鋁合金激光拼焊殘余應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試研究[J].焊接，2006（19）:63-64.

[5] 劉興龍，曲仕堯，鄒增大，等.基于ansys的中厚板補(bǔ)焊焊接溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].焊接技術(shù)，2005（1）: 14-15.

[6] 余淑榮，熊進(jìn)輝，樊丁，等.異厚度鋁合金薄板激光拼焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J].焊接學(xué)報(bào)，2007（5）:18-20.

[7] 石君偉，胡敏英.鋁合金激光深熔焊接熱過程有限元數(shù)值模擬[J].鋁加工，2009（4）:4-6.

[8] 余淑榮，熊進(jìn)輝，樊丁，等.ANSYS在激光焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，2006（5）:6-9.