低碳鋼薄板激光焊數值模擬及工藝

賈劍平，劉　丹，張幸福，彭　亮，畢凱強

低碳鋼薄板激光焊數值模擬及工藝

賈劍平，劉丹，張幸福，彭亮，畢凱強

（南昌大學機電工程學院，江西南昌330031）

在試驗基礎上，考慮了材料導熱系數、對流換熱系數、熱焓等參數隨溫度的變化，通過有限元軟件ANSYS建立激光薄板焊接的熱源模型，模擬激光焊焊接過程，研究其溫度場分布。對比試驗和模擬結果，得出其焊縫形狀基本一致。同時分析焊接電流、脈寬、頻率對熔池熔深、熔寬的影響，結果顯示，熔深、熔寬與電流成正比，與脈寬和頻率成反比。對焊縫組織進行研究，發現焊縫主要由珠光體和鐵素體構成，材料性能滿足焊接要求。

激光焊；ANSYS；數值模擬；金相分析

0　前言

激光亮度極高又能定向發光，將其聚焦于材料表面可以迅速熔化母材形成完美的焊縫，激光能量集中，所以被認為是理想的焊接熱源。作為一種焊接方法，激光焊屬于非接觸式焊接。激光焊具有深寬比大、熱影響區小、焊接速率高、可靠性好、聚焦后的光斑直徑小等特點[1]，但其焊接成本高、激光利用率低、裝夾要求高，也是激光焊不能普遍適用的原因[2]。

Q235-A因其良好的焊接性能，是一種應用較廣泛的低碳鋼。但其在焊接過程容易出現熱裂紋、冷裂紋、過熱區脆化等問題，因此研究焊接性能顯得尤為重要[3]。

在此主要研究激光焊接參數對低碳鋼的焊縫成形的影響，并應用ANSYS軟件對激光焊焊接過程溫度場進行模擬，得到焊接溫度的分布規律和變化曲線，再通過金相分析，進一步了解其焊縫的組織性能。該研究為低碳鋼激光焊的應用提供參考。

1　試驗研究

試驗選用材料Q235-A，材料尺寸50mm×40mm× 1 mm，焊接前對試樣表面進行除銹處理，即用砂紙仔細打磨試樣表面，并用丙酮和酒精擦洗干凈以清除試樣表面油污等雜質。試驗使用JHM-1GY-300F型激光焊接機。最大輸出功率300W，激光波長1.06μm，保護氣體流量15 L/min。

試驗參數：電流150～210A、焊接速度200mm/min、脈寬2～4 ms、離焦量0 mm、光斑直徑0.4 mm、頻率10～20 Hz。試驗采用單因素法對1 mm厚度的薄鋼板進行焊接試驗安排。通過改變激光參數（激光功率（電流）、脈寬和頻率）對Q235-A鋼材料進行研究。焊接試驗參數如表1所示，實驗結果如圖1所示。

表1　焊接試驗安排

圖1　焊縫

2　焊接模擬

2.1有限元模型的建立

激光焊是一個快速加熱、快速冷卻的過程。由于焊縫位于試件的中間，根據對稱性可對其一半寬度建立模型，在焊縫區域選擇較密的網格劃分，用掃描方式劃分網格，該區域選用8節點三維單元solid70，過渡區域網格較焊縫區大，選用20節點六面體單元solid90，在遠離焊縫區域網格更為疏松，這樣的建模方法可以減少運算時間，提高工作效率，同時保證計算精度。建立模型大小為100 mm× 20 mm×1 mm，有限元模型如圖2所示。模型建立后，需要定義材料屬性，焊件的熱物性參數如表2所示。

圖2　焊件有限元模型

表2　材料熱物性參數

2.2熱源模型

試驗材料為薄板，高斯熱源就滿足焊接熱源加載的要求。激光器的激光光斑的功率密度近似為高斯函數分布，數學表達如下

式中q為加載區域的表面熱流密度；qmax為熱源加熱斑點中心的最大熱流；c為高斯熱源參數。材料的熱吸收率為0.54[4]。

2.3邊界條件

在t=0時，材料溫度與周圍環境溫度相同，設為20℃。在加熱過程中由于巨大的溫度梯度，熱量以對流、輻射的形式進行交換[5]。將模型的對稱面設置為絕熱邊界條件，其他表面設置為換熱邊界條件[6]。

2.4結果和分析

（1）溫度場分析。

模擬試驗所做的七組參數，得出溫度分布曲線。選第3組試驗參數模擬結果進行溫度場分析，得出在焊接到5 s、15 s、29 s時的溫度分布云圖，如圖3所示。由圖3可知，熱導焊焊接低碳鋼時，由于激光焊的加熱半徑小，溫度過于集中，所以溫度梯度變化大，熱影響區小。在光斑直徑移動的同時，熔池也隨著光斑移動，焊后區域以空冷方式冷卻。隨著熱源的移動，焊接逐漸進入準穩態，其溫度場分布呈現一定的規律。同時溫度場的等溫線呈橢球形，在熱源前方的等溫線密集，熔池形成迅速，熱源后面等溫線疏松，溫度梯度較小，其熔池形狀如圖4所示，為近似半球狀，與熱導焊焊接特性一致。

（2）參數對熔池大小的影響。

在試驗后統一測量7組試驗所得焊縫的熔深、熔寬，同時將模擬所得熔池的熔深、熔寬測量后進行相互比較，如表3～表5所示。

表3　電流變化對熔深、熔寬的影響

表4　脈寬變化對熔深、熔寬的影響

表5　頻率變化對熔深、熔寬的影響

圖3　溫度分布云圖

圖4　熔池形狀

由上述對比表可看出，模擬結果與焊接結果基本吻合。由表3可知，隨著激光器電流從150 A增大到210 A，焊縫熔寬和熱影響區逐漸變寬，熔深隨電流的增大而加深，這是因為電流決定YAG脈沖激光器的輸出能量大小，電流增大，單脈沖激光能量增大，導致熔深增大，焊縫寬度和凹陷也會更顯著。由表4可知，隨著脈寬增大，熱影響區明顯越大，焊縫熔深、熔寬增加，焊縫凹陷也增加。脈寬即單脈沖能量加載的時間，脈寬增加表示加大熱源作用時間，因此熔池的熔深、熔寬均會變大。由表5可知，當頻率在2～3 ms變化時，頻率的增高會減小焊縫熔深和熔寬。但在提高頻率的同時，焊縫會變得更加平整和光滑。

3　金相分析

選擇兩組試驗對其焊縫進行鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕等，然后分析試樣，觀測結果。熔池形狀如圖5所示，可看出與模擬結果熔池基本一致，進一步驗證了數值模擬的正確。熔池金相如圖6所示，分析可知金相組織主要由珠光體和鐵素體構成，但在焊后母材由于加熱熔化會出現粗大的焊縫柱狀晶，可明顯看出母材和焊縫金屬存在熔化區、加熱區和未熔化區三種區域，如圖7所示。

圖5　熔池形狀

圖6　Q235-A金相組織

圖7　焊后金相

觀察焊接接頭成分，可以看出焊接過程中的熱循環是否合理，判斷其焊接接頭性能[7]。焊接熱影響區的金相成分如圖8所示。焊接過程溫度太高，母材金相中出現的小黑點屬于金屬氧化導致，氧化造成奧氏體晶界呈網狀分布金粒粗化，影響母材性能。

圖8　金相成分

4　結論

（1）運用有限元軟件ANSYS對Q235-A薄板激光焊過程進行數值模擬，得出模擬結果與試驗結果基本相符。模擬較為準確地表達了焊縫區域溫度場的分布變化情況和分布規律。

（2）分別考慮焊接電流、脈寬、頻率對焊縫形狀的影響，為進一步的焊接試驗提供依據。

（3）對焊縫金屬進行金相分析發現，焊縫組織由鐵素體和珠光體構成，塑性韌性好，接頭性能良好。

[1]耿平，楊玉玲，張多.18-8型奧氏體不銹鋼低功率Nd：YAG激光焊接研究[J].激光與紅外，2007，37（1）：34-36.

[2]孫守禮，吳豐順，孫智富.不銹鋼報班的焊接質量及控制[J].武漢汽車工業大學學報，1996，18（1）：62-65.

[3]趙松巖.Q235B和Q345R鋼板材的焊接性分析[J].農業裝備與車輛工程，2013（02）：58-60.

[4]姜澤東，陳保國，史維琴.304不銹鋼薄板脈沖激光焊焊接熱過程數值分析[J].熱加工工藝，2011（13）：148-150.

[5]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（03）：105-108+118.

[6]賈劍平，陳建平，劉云龍，等.水下局部干法T型坡口焊接過程的有限元分析[J].熱加工工藝，2013（01）：190-192 +195.

[7]陳建平.局部干法水下焊接工藝及焊縫質量研究[D].江西：南昌大學，2013.

Numerical simulation and process of laser welding on low carbon steel sheet

JIA Jianping，LIU Dan，ZHANG Xingfu，PENG Liang，BI Kaiqiang
（Mechanical Electronic EngineeringCollege，NanchangUniversity，Nanchang330031，China）

Considering of the change of material parameters such as the enthalpy，thermal conductivity，coefficient of convection along with the temperature，the heat source model of laser weld is established based on experiment and used to simulate the laser welding process by applying the finite element software ANSYS.The comparison between results of experiment and simulation shows that they have same weld bead.Then the influence of weld pool of current，pulse width，frequency on the width and depth is analyzed.The results show that the width and depth of weld pool are proportional to welding current，and are inversely proportional to pulse width and frequency.Through analyzing the organization of weld，it's found that the organization is composed of ferrite and pearlite.The characteristics of materials meet the requirement of welding.

laser welding；ANSYS；numerical simulation；metallographic analysis

TG456.6

A

1001－2303（2016）01－0098-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.23

2014-07-06

江西省教育廳科研項目（CJJ13070）

賈劍平（1966—），男，湖南寧遠人，教授，博士，主要智能機器人與視覺的研究。