Invar36合金激光焊接Ansys仿真

張 坤

（青海大美煤業有限公司烯烴廠，西寧 810007）

Invar36合金激光焊接Ansys仿真

張 坤

（青海大美煤業有限公司烯烴廠，西寧 810007）

本文對Invar36合金激光焊接過程進行了ansys仿真，驗證了激光焊接具有高功率密度，較小的熱影響區，較大的焊接深度，較窄的焊縫等優勢，能夠實現低應力及低變形焊接。

激光焊接；invar36合金；ansys仿真

1 引言

Invar36是C.E.Guilleaume發現的FCC-γ相組織結構的合金。這種合金以其非常低的熱膨脹系數而備受關注［1］。該合金一般應用在一定溫度范圍內對膨脹尺寸要求非常嚴格的場合，如何更好的焊接invar合金成為一個亟待解決的問題。

激光焊接是迅速的且非平衡的熱循環過程，在焊縫附近存在很大的溫度梯度，在焊縫處同樣存在殘余應力和不同程度的變形，上述這些情況都是影響焊接質量和使用性能的重要因素［2］。因此了解焊接過程中溫度的變化對也焊接質量和焊接結構具有重要意義。但是傳統焊接過程中的溫度測量是相當困難的，激光焊接過程中的溫度測量就更困難了。為了了解焊接過程中溫度場的變化，我們借助了計算機和分析軟件采用了數值模擬分析的方法對焊接過程進行仿真［3-5］。

2 建立模型

模型基于以下熱傳導微分方程：

材料屬性隨溫度變化，高溫材料屬性通過內插值原則獲得。材料熔融狀態下的潛熱通過熱焓的方式計算。

模型采用solid70單元，并使用plane55單元作為表面效應單元進行單元格優化。為了減少計算了，降低計算時間，在靠近焊縫區域采用密集網格，遠離焊縫區采用稀疏網格，網格劃分結果如圖1所示。因為焊縫的對稱性，我們選取了對稱的一半進行計算，進一步節省了計算時間。

圖1 網格劃分Fig.1 Meshing model

3 熱源及邊界條件

模型采用高斯熱源，使模型更加接近實際熱源，高斯熱源表達式如下所示：

qmax為最大熱流密度，R為有效的激光光斑半徑，r為距離光斑中心的距離。

模型初始條件設定環境溫度25℃，忽略熱輻射的影響。由于只對一半焊縫進行仿真，因此焊縫對稱面進行絕熱處理。

4 仿真結果分析

圖2和圖3為時間2.6S和5S時的溫度場分布圖，圖4為時間1S時等溫面圖，由圖2和圖3可以看出，激光焊接區域，中心溫度達到了3359℃，但是距離焊縫稍遠一點，溫度就有了大幅度的突降，由圖4可以更直觀的看出溫度的這種突變。由此可以說明激光焊接具有非常高的能量密度，極大的溫度梯度，進而使焊縫具有較大的深度及較窄的寬度，這樣就形成了較小的熱影響區，降低了焊接應力和焊接變形。

圖2 2.6S時溫度場分布圖Fig.2 Temperature field dist ribution at 2.6S

圖3 5S時溫度場分布圖Fig.3 Temperature field distribution at 5S

圖4 1S時等溫面分布圖Fig.4 Isosur face Temperature Field at 1S

Invar36合金的熔點為1430℃，因此溫度高于1430℃的區域均為良好的焊接區域，由圖2和圖3看出，激光實現了良好的invar36合金的焊接。

圖5為焊縫上選取的5個點的時間歷程曲線，即這5個點隨焊接時間進行的溫度變化。由圖5容易看出，激光焊接是一個溫度急劇上升和急劇降低的過程，這種溫度的急劇變化可以使焊接區域金屬晶粒細化，提高焊接區域金屬性能。

圖5 時間歷程曲線Fig.5 Curve of time-history

5 結論

對激光焊接invar36合金進行了ansys仿真，仿真結果驗證了激光焊接過程激光焊接具備高能量密度，高溫度梯度，低熱影響區和低變形，激光焊接溫度的突變提高了材料性能。

［1］ Salyo-ku，Invar alloys Department of Materials Science and Engineering.Kyoto 606-01，Japan：340～347

［2］ 關振中.激光加工手冊［M］.北京，中國計量出版社 1998.109～132

［3］ James D.Van de Ven and Arthur G.Erdman.Laser transm ission welding of thermoplastics-part I：temperature and pressure modeling.Mechanical Engineering Department，University of Minnesota. October 2007，Vol.129：849～858

［4］ James D.Van de Ven and Arthur G.Erdman.Laser transm ission welding of thermoplastics-part II：Experimental Model Validation.Mechanical Engineering Department，University of Minnesota. October 2007，Vol.129：859～867

［5］ K.S.Suresh，M.Roopa Rani，K.Prakasan，R.Rudramoorthy.Modeling of temperature distribution in ultrasonic welding of thermoplastics for various joint designs.Journal of materials processing technology 186（2007）：138～146