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激光焊接的温度场及焊缝残余应力分析_图文

第 28卷第 4期 2 0 0 5年 1 2月

长春理工大学学报
Journal of Changchun University of Science and Technology

Vo l128 No14 D e c. 2 0 0 5

激光焊接的温度场及焊缝残余应力分析

宋林森  李占国  史国权

(长春理工大学  机电工程学院 , 长春  130022)

摘  要 : 激光焊接过程是一个快速不均匀的热传导过程 , 由于激光与材料相互作用的复杂性 , 使得激光焊接质

量难以保证 。本文根据激光焊接的特点与实际加工环境建立了激光焊接的热力学模型 , 利用有限元分析软件

ANSYS对焊接结构的温度场及残余应力进行分析 , 可实现焊接结构的质量和使用性能的预测 , 便于工程应用 。

关键词 : 激光焊接 ; 温度场 ; 残余应力 ; ANSYS

中图分类号 : TG402  文献标识码 : A

文章编号 : 1672 - 9870 (2005) 04 - 0024 - 03

The Ana lysis of the Tem pera ture Env ironm en t and the W eld ing L ine′s Rema in ing Stress of the La ser W eld ing
SON G L inS en L I Z hanGuo SH I GuoQ uan
( S chool of M echan ica l and E lectrica l Eng ineering,
Changchun U n iversity of S cience and Technology, Changchun 130022) Abstract: The laser welding is a fast and uneven heat cyclical p rocess. B ecause of comp lexity of the in2 teractive between laser and m aterial, it is very difficult to guarantee the quality of the laser welding. The thermodynam ics model of the laser welding has been set up in this text on the foundation of the character2 istics and actual p rocess environment of the laser welding. Its rem aining stress and temperature environ2 m ent have been analyzed using ANSYS. It can p redict the weld structure quality and its using capability, and it have facilitated the p roject app lication. Key words: laser welding; temperature environm ent; rem aining stress; ANSYS

  激光焊接是以高能量密度的激光束作为热源的 一种高效精密的焊接方法 , 可适用于相同金属材料 和不同金属材料间的焊接 。与电子束 、等离子相 比 , 激光焊接具有高能量密度 、可透焦 、深穿透 、 高效率 、高精度 、适应性强等优点 , 并且具有溶池 净化效应 , 能纯净焊缝金属 , 焊缝的机械性能相当 于或优 于母 材的 特点 [ 1 ] , 广 泛应 用于 航空 航 天 、 汽车 、微电子 、轻工业 、医疗及核工业等要求高精 度和高质量的焊接领域 。
激光焊接过程是一个快速不均匀的热传导过 程 , 焊缝附近会出现很大的温度梯度 , 因此焊后的 结构中将有不同程度的残余应力和变形产生 , 这将 直接影响焊接结构质量和使用性能 , 因此准确地认 识焊接热过程 , 对焊接结构力学分析以及最终的焊 接质量控制具有重要意义 [ 2 ] 。

ANSYS是集结构 、热 、流体 、电磁 、声学于 一体的以有限元分析为基础的大型通用 CAE软件 , 广泛应用于机械制造 、航空航天 、电子 、土木工 程 、水利 、石油化工 、轻工等众多的工业领域 , 能 够解决各种稳态 、瞬态 、线性和非线性热传导问 题 , 能适用复杂形状结构和各种材料及边界条件 。 本文结合激光焊接的实际过程 , 利用 ANSYS软件 对不同金属材料之间焊接过程的温度场及残余应力 进行分析 , 对焊接质量和使用性能进行预测 , 可实 现简化检验程序 , 提高工作效率 , 降低试验成本的 目的 。
1 激光焊接的热力学模型
激光焊接的温度场满足非线性瞬态热传导微分 方程 :

  收稿日期 : 2005 - 08 - 10   基金项目 : 兵器科技预先研究项目 (42001080504)   作者简介 : 宋林森 , 男 (1975 - ) , 硕士 , 讲师 , 主要从事激光加工方面的研究工作 。

第 4期

宋林森等 : 激光焊接的温度场及焊缝残余应力分析

25

ρ( T) c ( T)

5T 5t

=

5 5

x ( kx

( T)

5 T) 5x

+

5 5

y

( ky

( T)

5 T) 5y

+

5 5

( z

kz

(

T)

5 T) 5z

+Q

(1)

式中 : kx ( T) 、 ky ( T) 、 kz ( T) 为材料沿 x、 y、 z三个方向的热传导系数 ; ρ ( T ) 为材料的密度 ;

c ( T) 为材料的比热容 ; Q 为内热源 [ 3 ] 。

为简化计算 , 取其剖面进行分析计算 , 从而将

激光焊接数学模型简化为二维模型 :

ρ( T) c ( T)

5T 5t

=

5 5

(k x

( T)

5 5

T) x

+

5 5

y

(

k

(

T)

5 5

T) y

+Q

(2)

初始条件 :

T ( x, y, 0) = T0

(3)

T0 为环境温度 ,

边界条件 :

kn

5 5

T n

+ q + a(T

-

T0 )

+σζ( T4 - T40 )

=0

(4)

式中 kx 、ky 为 x、y 方向的热流传导系数 (各向同性 材料 kx = ky ) ; Q 为内热源 ; c为材料的比热容 ;ρ为 材料的密度 ; q为流经边界的比热流密度 ;ζ为体表 面的发射率 ; a 为表面换热系数 ;σ为 Boltzmann常 数 ,其值为 5167 ×10 - 4W / cm3 ·K4 。

2 有限元分析

211 有限元模型的建立和网格划分
激光焊接的能量密度非常高 , 有效加热区域非 常小 , 因而在网格划分时 , 要求在焊缝附近采用很 小的网格尺寸 , 而在远离焊缝的区域可以选择较大 的网格尺寸 。在 ANSYS软件中 , 为了便于单元的 重生 、进行重启动分析和重新加载的操作 , 采用了 映射网格划分技术 , 单元形状为四边形 , 单元类型 为 Quad 13, 如图 1所示 。

图 1 激光焊接的有限元模型
212 焊接热源的处理 激光热源的处理有线状热源 、柱状热源 、由点
热源到球状热源 、椭球及双椭球热源几种形式 。国 内部分学者采用线状热源叠加点状热源的方法对激 光焊接过程进行解析计算 , 以达到对激光焊接的实

际情况更好地模拟 [ 4 ] 。本文采取这种叠加热源的 处理方法 , 将计算出的热流强度先以点载荷的形式 施加到选定的节点上 , 再以线载荷的形式施加到选 定的单元上 。由于激光焊接过程属于瞬态传热分 析 , 因此在分析的过程中需设定一定的时间步长 , 并利用 ANSYS中的 APDL 语言编写程序以达到循 环加载的目的 。
213  边界条件的处理 边界条件的处理以式 ( 3) 、 ( 4) 为依据 , 利
用 ANSYS软件中的相应操作命令进行添加 。本文 将焊接材料的初始温度设为环境温度 , 在焊接材料 的各个表面上施加表面对流边界条件 。
214  相变潜热的处理 激光焊接过程中存在着汽化 、熔化 、凝固等相
变过程 , 相变潜热对温度场分析会产生一定的影 响 。ANSYS中处理相变潜热问题的方法是定义不 同温度下的热焓 。其数学公式为 :
∫ τ
H = ρc (τ) dτ 0
式中 : H为热焓 , ρ为材料密度 , c (τ) 为材料的 比热容 [ 5 ] 。
215  材料热物理性能参数处理 由上面分析可知 , 激光焊接过程的温度场分析
是一个伴有相变过程的非线性瞬态热传导问题 , 热 物理参数如热传导率 、密度 、比热容等随温度的变 化而变化 , 在 ANSYS操作的过程中随着参数的输 入 , 软件将建立相应的表格 , 在计算过程中自动调 用该表格来实现热物理性能参数的处理 , 软件本身 具有利用插值法和外推法确定其它温度下相应数值 的功能 。
3 计算实例
本文以铜对不锈钢和铸铁两种金属材料的焊接 为例 , 激光器类型为为 CO2 激光器 , 能量密度为 113 ×105W / cm2 , 不 锈 钢 和 铸 铁 材 料 尺 寸 都 为 50mm ×50mm ×4mm。
利用 ANSYS软件对焊接的温度场及残余应力 进行计算 , 通过通用后处理器 ( Pos1 ) 和时间一 历程后处理器 ( Post 26 ) 可对焊接结构的温度场 分布以及残余应力的分布情况进行分析 。
图 2为激光焊接过程中各时刻结构内部温度场 的分布情况 。图 3 为焊缝边缘中点的热循环曲线 , 它清楚地显示了焊缝边界中心点的冷却速度以及所 能达到的峰值温度 。通过图 2、图 3可以看出 , 二

26

长春理工大学学报

者的峰值温度都超过了铜的熔点温度 ( 1083℃) , 约为 1500℃。

2005年

图 2 激光焊接温度场分布图

图 3 材料与焊缝交界线中点的热循环曲线
图 4 激光焊接材料残余应力分布图
图 4为焊接后结构内部的残余应力分布情况 , 从图中可以看出焊接后材料内部最大残余应力发生 在与 不 锈 钢 接 触 的 焊 缝 边 缘 , 大 小 为 Smax = 975M Pa, 由此使结构产生变形 , 最大变形量 Dmax
= 6mm。这样通过对焊接结构温度场的分析 , 可以 计算出焊接结构中的残余应力和变形量 , 以此为依 据 , 可对焊接结构的质量和使用性能进行判断 。
在 工 件 上 取 A ( 30, 4 ) 、 B ( 25, 4 ) 、 C (20, 4) 三点温度的实测值与模拟值进行比较 , 如图 5所示 。实验中所用温度传感器为北京航宇东 方有限公司生产 , 其测量范围为 0 ~400℃, 测量 精度为 K ±0175℃, 可满足测量的要求 。

图 5 模拟值与实测值的比较
4 结论
(1) 建立了激光焊接热力学模型 , 根据激光 焊接的实际情况采取线状热源叠加点状热源的方式 来进行热源处理 , 使所建模型与实际焊接情况相 符 , 有利于提高激光焊接温度场求解的精度和准确 度。
(2) 利用 ANSYS软件对激光焊接过程中结构 内部温度场的分布情况进行分析 , 并计算出结构内 部的残余应力和变形量 , 可对焊接结构的质量和使 用性能进行预测 。
(3) 对激光焊接过程中温度实测值与模拟值 进行比较 , 如图 5所示 。从图中可以看出 , 实测值 与模拟值基本吻合 , 从而验证了温度场计算的正确 性。
参考文献 :
[ 1 ] 徐庆仁. 激光加工技术的地位 、现状和发展趋势 [ J ]. 航空制造工程 , 1996, (9) : 22 - 24.
[ 2 ] Yue T M , Xu J H , M an H C. Pulsed Nd - YAG Laser W elding of A Sic Particulate Reinforced A lum inium A lloy [ J ]. Composite. App lied Composite M aterials. 2003, 4 (1) : 53 - 64.
[ 3 ] 姚仲鹏 , 王瑞军. 传热学 [M ]. 北京 : 北京理工大学 出版社 , 1995: 17 - 20.
[ 4 ] 吴祥兴. ANSYS在激光焊接温度场数值模拟中的应用 [ J ]. 电焊机 , 2002, 32 (9) : 1 - 3.
[ 5 ] 唐 兴 伦. ANSYS 工 程 应 用 教 程 (热 与 电 磁 学 篇 ) [M ]. 北京 : 中国铁道出版社 , 2003: 77 - 78.


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