不銹鋼激光焊接溫度場(chǎng)的有限元分析

張赫吉

【摘 要】用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)測(cè)量激光焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)的分布情況是十分困難的。在實(shí)際焊接中，往往都是通過(guò)工作人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)選取激光參數(shù)以及工藝參數(shù)的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)激光焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。本文通過(guò)使用ANSYS有限元模擬分析軟件，對(duì)激光平板焊過(guò)中的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬分析。

【關(guān)鍵詞】激光焊接 數(shù)值模擬 溫度場(chǎng)

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，激光器已經(jīng)成為一種安全可靠的生產(chǎn)工具被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，激光焊接作為激光加工的一項(xiàng)重要組成部得到了充分的開發(fā)。伴隨著大功率激光器的問(wèn)世，在一些行業(yè)里，激光焊接已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在激光平板焊過(guò)程中，熔池附近溫度場(chǎng)的分布狀況是影響焊接接頭質(zhì)量的主要因素。但由于強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的熔池尺寸非常小，而且熔池溫度非常的高，所以不能直接對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，而且激光移動(dòng)的速度很快，因此激光焊接過(guò)程中形成的熔池溫度場(chǎng)很難用實(shí)驗(yàn)的方法去精準(zhǔn)測(cè)量。

1焊接溫度場(chǎng)的基本理論

焊接三維溫度場(chǎng)控制方程如下所示：

在這個(gè)公式中： 代表的是區(qū)域V中的熱源的強(qiáng)度；T代表的是溫度場(chǎng)的分布函數(shù)； 代表的是導(dǎo)熱系數(shù)； 和c代表的是材料的密度以及材料的比熱。

2激光焊接數(shù)值仿真過(guò)程

2.1定義單元類型

ANSYS有限元分析軟件可以提供使用者上百種不同的單元類型，在研究熱問(wèn)題方向時(shí)就有幾十種不同的單元類型可供選擇，本篇論文中需要研究的是三維熱傳導(dǎo)問(wèn)題，ANSYS有限元分析軟件提供的這些單位類型中只有三種單元類型能用來(lái)研究三維熱傳導(dǎo)問(wèn)題，這三種單元類型分別為SOLID70、SOLID87以及 SOLID90。在本文中選用的單元類型為SOLID70。

2.2激光焊接板材的屬性

在本文中我們所選取的激光焊接板材的種類為316不銹鋼，316不銹鋼為奧氏體不銹鋼的一種，因?yàn)樗哂懈吣透g性這一特性，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

2.3建模及劃分網(wǎng)格

這里我們使用APDL語(yǔ)言形式進(jìn)行建模，使用APDL語(yǔ)言形式更能體現(xiàn)有限元的思想，同時(shí)可以顯著提高加建模的效率以及修改模型時(shí)的效率。節(jié)約了建立模型所用的時(shí)間，降低了有限元解析的成本。

2.4施加邊界條件

2.4.1施加溫度邊界條件

在未焊接前板材上的溫度是和室溫相等的，所以選取板材的初始溫度為25℃。

在這個(gè)公式中： 代表的是與板材屬性相關(guān)的一個(gè)函數(shù)， 代表的是焊接過(guò)程中板材上的溫度， 代表的是初始溫度。

2.4.2施加熱源載荷

在本文中針對(duì)激光平板焊的數(shù)值模擬需施加圓錐高斯體移動(dòng)熱源模型，在函數(shù)編輯器中輸入下面這個(gè)公式：

在這個(gè)公式中：v代表的是焊接速度；t代表的是焊接時(shí)間。將這個(gè)公式輸入到函數(shù)編輯器中在讀取出來(lái)對(duì)應(yīng)的函數(shù)，給變量相對(duì)應(yīng)的值，以熱生成率的方式加載到各個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)上。

2.5求解和輸出控制

激光焊接的數(shù)值模擬分析屬于分線性瞬態(tài)分析，在進(jìn)入求解器后可以直接選定選分類型為瞬態(tài)分析。然后在控制窗口中打開對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)，就可以進(jìn)行求解了。

3激光平板焊過(guò)程中溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬

本文使用移動(dòng)圓錐高斯體熱源加載到板材上的方式，模擬了激光平板焊過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布情況，本文選用的不銹鋼板材的尺寸為60×60×6（單位為mm），選取的參數(shù)為激光功率1500W，焊接速度0.01m/s，光斑直徑6mm。

焊接過(guò)程中熱源前面的等溫線的密度比后方的等溫線密度密集，溫度梯度比較大；熱源后面的等溫線分布比較疏，溫度梯度比較小，等溫線的形狀是展現(xiàn)出不規(guī)則的橢圓形分布在熱源移動(dòng)的軸向上。激光焊接進(jìn)行到1s-5s時(shí)，不銹鋼板材表面上的溫度場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，焊接過(guò)程中所形成的熔池的相貌也并沒有發(fā)生變化。

4結(jié)語(yǔ)

本文中應(yīng)用ANSYS有限元模擬分析軟件模擬了激光焊接不銹鋼溫度場(chǎng)的分布。這個(gè)為研究激光焊接過(guò)程提供了參考依據(jù)，為實(shí)際的激光焊接生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

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