基于新型移動熱源模型激光深熔焊過程的數值仿真

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

基于新型移動熱源模型激光深熔焊過程的數值仿真

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

摘要：建立了新型移動熱源模型—圓錐高斯體熱源模型，基于此熱源模型對AISI316不銹鋼平板對接時激光深熔焊的焊接過程進行了模擬。結果顯示，試件上表面和焊縫縱切面的溫度場分布與相關研究數據基本吻合。

關鍵詞：圓錐體熱源模型；移動熱源；激光深熔焊；數值模擬；溫度場

0　前言

在實際生產過程中為了方便焊接設計及工藝人員選定產品結構及焊接工藝參數，預測焊后焊件上的應力分布及焊接變形變得尤為重要。然而，引起焊后殘余應力及變形的主要原因是焊接過程中工件受熱不均勻（即導致不均勻的溫度場）從而產生不均勻的應力分布，最終導致焊后殘余應力及工件變形。所以要想準確預測焊接工件的殘余應力及變形情況，必須先準確預測焊接過程的溫度場分布情況。

然而由于激光的特殊物理性質使得激光深熔焊的能量分布極為集中，在焊接過程中，激光所作用區域能夠迅速形成小孔，激光移開后小孔便迅速液化凝固。因此激光深熔焊的溫度場分布非常小，而且溫度梯度極大，并且此焊接過程中的溫度場變化非常快，所以利用實驗法測得激光深熔焊過程的溫度場分布十分困難。計算機軟硬件的不斷發展，尤其是相關有限元分析軟件的快速發展使得激光深熔焊小孔周圍大梯度溫度場的計算更為準確，所以應用有限元分析軟件計算激光焊接過程中溫度場及應力應變場的分布受到越來越多專家學者的重視。本文基于圓錐體移動熱源模型[1]對激光深熔焊過程的溫度場分布情況進行數值模擬。

1　新型移動熱源模型

由于激光束能量密度高，同時激光束作用工件時能量分布基本遵守高斯分布，因此在激光焊接實際物理過程的基礎上，本文復合圓錐體和高斯體函數再用解析計算法[2]計算出復合函數中決定模型底面半徑和長度參數，給出了基于激光深熔焊的圓錐體熱源模型，其數學表達式為：

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

2　數值模擬

2.1材料選取及焊接參數選定

表1[3]

根據本論文推算出的熱源模型，對AISI316不銹鋼激光焊接過程的溫度場變化進行有限元分析。表2.1所列的參數為AISI316不銹鋼的相關熱物理參數。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

焊接過程中焊件與外部環境的溫差極大，對流和輻射是高溫焊件與外部環境進行熱交換的兩種主要方式。輻射的強弱與焊件溫度的高低成線性關系，對流相對較小[4]。為了方便分析，本文將輻射、對流和焊件表面與外界的溫差用一個總的換熱系數聯系起來，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的一個函數，是焊件溫度，為室溫。

2.3移動熱源作用下溫度場分布的數值仿真

對激光深熔焊過程的溫度場進行仿真。首先建立物理模型（為了節省時間降低計算量，只去焊縫的一側建立模型），然后把表1中的參數賦予相應的材料，再采用過渡網格劃分技術對所建的模型進行網格劃分。

圖1　激光深熔焊溫度場分布演變的俯視圖

圖2　激光深熔焊溫度場分布演變的側視圖

然后對所建熱源模型施加邊界條件及熱源載荷，邊界條件用對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，故，,其中是熱源起始點的Y坐標，為焊接速度。最后設置載荷步和時間步長進行計算。

圖3　移動熱源模型數值仿真的溫度場分布云圖

模擬的焊接溫度場分布云圖的演變過程如圖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，在移動熱源的前進方向上分布較密的等溫線，在移動熱源的后方等溫線分布密度較小離等溫線越遠分布密度越小，且等溫線基本程橢圓形。b、c、d、圖所顯示的最高溫度沒有變化，說明焊縫形狀基本穩定，此時溫度場分布趨于平衡，已達到準穩態。

為了能夠更好的反應焊接過程中試件上不同點溫度和時間的變化曲線，本文在焊接方向上等距離選取了九個點如圖3所示，每個點的溫度時間曲線如圖4所示，由圖4可知在對應的4、5、6、7、8點的時間溫度曲線的形狀基本相同，說明焊接在第4個點附近就進入了準穩態，由于空氣的熱傳導系數沒有AISI316不銹鋼的熱傳導因數高所以第9個點的最高溫度比前5個點的最高溫度略高，由此可知本論文的仿真結果與實際焊接過程的溫度場分布基本一致。

3　結論

基于圓錐體熱源模型仿真激光深熔焊焊接過程，得到的移動熱源前進方向上的等溫線分布較密，移動熱源后方等溫線分布相對較疏且呈橢球狀，這與同一領域其他專家學者的研究結果相符。得到的熔池形狀與實驗抓拍的熔池形狀基本相同。以前很少有人對激光焊接過程焊縫的演變過程進行模擬，本論文給出了在移動熱源作用條件下，焊縫溫度場的演變過程，仿真圖片顯示在焊接的中間過程焊縫的溫度場形狀不再發生變化，焊接進入準穩態階段。這跟實際的焊接過程完全一致，由此可以說明本論文建立的圓錐體熱源模型也適合基于移動熱源的激光深熔焊的數值模擬。

圖4　在焊接方向上選取點的溫度時間曲線圖

參考文獻：

[1]霍厚志,王宏.激光深熔焊熔池形成過程的數值模擬[J].機械工程與自動化,2012,8(04):6-8.

[2]王煜,趙海燕,吳甦,張建強.高能束焊接雙橢球熱源模型參數的確定[J].焊接學報.2003,24(02):67-70.

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

[4]韓國明,李建強,閆青亮.不銹鋼激光焊溫度場的建模與仿真[J].焊接學報,2006,3,27(03):105-108.

作者簡介：黃程（1986-），男，山東濰坊人，工學學士，助理工程師。