鍍鋅鋼板卷對接頭激光釬焊過程溫度場模擬的實驗驗證

李紹偉，王付鑫

（1.材料工程學院，上海工程技術大學，上海 201620；2.上海市先進激光制造技術協同創新中心，上海 201620）

由于激光釬焊工序復雜，系統的實驗研究比較耗時。而且限于激光加熱的局部性，對于測量界面層和熔池附近的溫度變化以及應力分布幾乎無法實現。因此在激光加工過程中，通常采用數值模擬來獲得溫度場或者預測焊縫形貌[1]。針對激光焊接熱分析，Swift-Hook等人[2]提出了一種認為激光束能量沿焊縫厚度方向均勻分布的線熱源模型，該模型能很好地模擬出金屬薄板在激光焊接過程中的完全穿透問題。為了改進該模型，Steen和Dowden等人[3]又提出了一種點線熱源模型，并且Mazumder和Steen等人[4]考慮了激光束能量在厚度方向的衰減問題。目前，關于焊接溫度場的數值模擬和實驗研究主要集中于傳統的電弧焊接和部分激光焊接工藝，對于卷對接頭的激光釬焊工藝和數值模擬鮮有研究。

本文通過有限元分析法對激光釬焊溫度場進行了數值模擬，并通過數據采集卡搭建測溫平臺對溫度場模型進行了驗證。

1 卷對接頭激光釬焊溫度場建模

1.1 實體建模及網格劃分

卷對接頭模型建立為釬縫區、過渡區、遠離焊縫區。模型尺寸設置為板厚0.8mm，水平翻邊為20mm，垂直翻邊為10mm，焊縫長度40mm，如圖1所示。單元類型選用三維六面體熱實體單元solid70，采用非均勻網格劃分。在釬縫區和過渡區，溫度梯度較高，為保證計算精度，網格劃分細密。遠離焊縫區網格粗糙劃分。

圖1 卷對接頭激光釬焊網格劃分

1.2 熱源模型和邊界條件

建模時需作如下假設：①假設室溫為20℃；②不考慮釬料的潤濕鋪展流動并且材料連續和各向同性；③假設入射激光的輸入不受氣體物質的影響；④假設光束橫截面能量分布為高斯分布[6]。

1.3 材料熱物理屬性參數

母材鍍鋅鋼板和釬料CuSi3不隨溫度變化的物理屬性值[7]如表1所示。

2 溫度場模擬結果及分析

本文對不同激光釬焊工藝參數下的溫度場進行了數值計算。以離焦量30mm，焊接速度0.96m/min，激光功率1600W的釬焊參數為例，說明激光釬焊溫度分布特點。在激光釬焊過程中，不斷熔化的釬料被填入釬縫間隙，隨著時間的推移，釬縫成形逐漸完整。

由于卷對接頭的加熱情況受到釬料填充過程引起的較大影響，因此在計算過程中，通過單元激活技術來模擬釬料的填縫過程[8,9]。隨著激光束的運動，釬縫逐漸形成，在激光掃描過的區域，單元被依次激活，從而模擬釬料的填縫過程。從圖2中可見，隨著時間的推移，峰值溫度逐漸升高最終達到1243.74℃不變。熱源前方，溫度梯度較大，而熱源后方，靠近熱源區域，等溫線較為接近圓形，遠離熱源區域，等溫線趨于橢圓，在釬縫區后拖逐漸拉大。

表1 鍍鋅鋼板和CuSi3的材料屬性

圖2 釬焊過程不同時刻的溫度分布圖

4 溫度場有限元模型驗證

圖3 實驗所測溫度與模擬結果對比圖：(a)A點(b)B點(c)C點

為了驗證溫度場模擬結果的準確性，本文進行了溫度場的同步測量實驗。由于焊縫中心區域的溫度是難以測量的，本實驗選取距離焊縫中心一定距離的A,B,C三點來測量，分別繪制熱循環曲線并與溫度場模擬所得熱循環曲線對比，如圖3所示。由圖可以看出，實驗同步測量的A,B,C三點的升溫速度和峰值溫度與模擬結果均比較吻合。但與冷卻過程有一定差距，主要原因是模擬過程簡化了激光加熱過程，忽略保護氣體流動對焊縫的冷卻影響以及熔池內部流動帶來的熱量傳遞作用。

5 結論

（1）采用高斯雙橢球復合熱源模型對激光釬焊過程溫度場進行了數值模擬，得到了卷對接頭的溫度場分布云圖，結果表明峰值溫度未達到母材熔點，焊縫區溫度達到釬料熔點使其熔化。

（2）通過數據采集卡和熱電偶進行了溫度采集實驗，基于Labview軟件搭建了溫度場熱循環曲線測量系統，測出并繪制了焊縫附近不同位置的熱循環曲線，實驗結果與模擬結果一致，驗證了溫度場模擬結果的準確性。