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有关激光焊接中的数值模拟问题分析

2012年第9期(总第166期)
韦赤锋(南南铝业股份有限公司,广西 南宁 530031)
 
 
【摘 要】 激光焊接是利用激光束的能量高和方向性好的特点对所需要焊接部位金属熔化的一种新的生产工艺。激光焊接在汽车、轮船、钢铁等行业中的应用十分广泛,提高了连接部位的强度。主要讨论激光焊接的数值模拟温度场的问题。
【关键词】 激光焊接;数值模拟;温度场
 
工业生产中的焊接是一个极其复杂的连接过程,焊接点需要强度高,性能好和安全系数高的要求,随着焊接技术的发展,激光焊接的优越性在大型工业中的技术优势十分明显。通过计算机对焊接进行数值模拟分析研究来解决激光焊接中可能出现的问题,得到高质量的焊接结构。
 
1 激光焊接的工作原理
激光焊接是利用良好的方向性、高强度、高密度、激光的单色性能好、高相干性等特点的激光束辐射在加工工件表面区域内,激光束经过光学系统聚焦后,其激光焦点的功率密度为104~107W/cm2,通过激光与被焊物的相互作用,焊接处金属在千分之一秒内形成一个能高度集中的热源区,热能使被焊物区域迅速熔化后冷却结晶形成牢固的焊点和焊缝。
与其他焊接方法相比,激光焊接具有焊接速度快,变形小;激光设备比较简单,焊接环境使用性比较强;利用反射面可以实现任何方向弯曲和聚焦,用于比较复杂的焊接;可以焊接两种不同的金属材料,甚至一些非金属都可以使用激光焊接。激光的输出功率、激光脉冲宽度、激光的波形、材料的吸收率、焊接速度和离焦=量以及焦距等参数会影响激光的焊接能力,进而直接影响焊接质量。
 
2 数值模拟分析
激光焊接是快速不均匀的热循环过程,在焊接缝附近出现很大的温度梯度,焊接之后出现不同程度的残余应力和变形。这些都会影响焊接结构和质量,根本原因就是焊接处的不均匀加热和冷却,对于激光焊接温度场的模拟分析是改善这一情况的前提。通常使用的数值模拟分析方法有差分法、数值积分法、有限元法和蒙特卡罗法等。现在主要使用有限元法对激光焊接的热传导和残余应力和变形的分析研究。ANSYS,MARC, ADINA, SYSWELD等有限元程序软件为数值模拟研究提供计算工具。
激光焊接过程是一个局部瞬间加热和冷却的过程,如果热源的移动会导致整个罕见的温度发生急剧变化,焊接温度场是一个非线性的瞬态过程。对于有限元网格的划分要遵循有利于焊接缝处计算准确性的原则,在焊接缝附近的温度场变化剧烈,需要进行细密的网格划分,距离焊接缝比较远的位置,温度变化不大,采用较大的网格划分,在焊缝处的最小尺寸要接近激光光斑尺寸。激光焊接大致分为传导激光焊接和深熔激光焊接两种,激光传导焊接的温度场计算可以采用电弧焊的处理方法,将热源视为点热源处理,面热源的能量密度分布满足高斯分布;对于深熔激光焊接,小孔的存在不鞥采用电弧焊接的处理方法。一般采用沿厚度方向的三位体热源模型和上表面的高斯热源分布的点热源模型组成混合模型来处理小孔加热的温度场分布,总的输入量按照点热源和三维体热源按一定比例分配。
焊接材料的物理性参数例如热导率弹性模量等会随着温度变化而改变。在焊接过程中,焊接温度瞬时变化较大,必须考虑焊接材料的物理参数的变化减小计算的误差,在焊接温度场的模拟计算过程需要给定材料的物料参数随温度的变化值。很多材料的物理参数变化值在高温情况很难获取,有些数据在实验室获得与现场焊接的数据存在偏差,这些都会给模拟计算带来误差,这是可以通过线性插值和实验获得一些数据,这些数据处理是要合理。
焊接处与外界存在温差发生介质换热,主要是对流换热和辐射换热,焊接温度越高,辐射换热力度越大。计算温度场时候只需要考虑辐射换热。边界换热损失的热量可以表示为Qs=β(T- T0)(T为焊件表面温度; T0为周围介质温度; β为表面换热系数, β=βc+βe,βc为对流换热系数; βe为辐射换热系数)换热系数与温度变化有关,需要给定焊件表米娜换热系数值。
焊接过程中,焊材熔化要吸收热量,凝固时要释放热量,计算温度场也要考虑形态转变对温度场的影响减小计算误差。通常采用等效比热容法处理温度场变化,等效比热容法是通过材料的比热容在温度急剧变化对焊材结构热焓值的影响,按照下列公式计算:Ce=ΔQ/ΔT, Cp=Ce+C, C为不考虑潜热时的比热容; Ce为等效比热容; ΔT为凝固温度范围; ΔQ为潜热。
熔池对流在焊接速度比较快的情况中对温度场的影响必须重视,对于熔池对流可以采用流体动力学来建立熔池对流的模型模拟。
 
3 计算结果和分析
激光焊接的激光热源高度集中,形成的热影响区域较小,焊接缝顶部的宽度为3-5mm,等温线的分布状况以焊接方向形成椭圆形。焊接速度的加快等温线长短轴比值变大,熔池拉伸加大,等温线区域随着速度较快减小,熔池表面的最高温度也会随着焊接速度的增加而减小。如果是一定热源,焊源前方等温线密度和温度梯度较大,焊源后面恰好相反。
 
4 利用ANSYS有限元分析软件存在的问题探讨
(1)热源模型处理形式比较单一,急需要准确确定热源模型的类型。
(2)焊接材料的物理参数的高温变化过程中的数据比较缺乏,导致模型计算的局限性。
(3)受计算机技术的限制,满足不了对加大构件的有限元模型的研究。
(4)辐射、对流等现象对温度场的影响研究还不完善,需要更深层次地研究。
 
5 结语
激光焊接数值模拟计算方法在焊接理论方面提供了重要参考,促使激光焊接技术投入实际生产中,解决生产工艺中出现的一些难题,但是还有一些问题无法解决,需要我们加大对于激光焊接的数值模拟的理论研究。只有解决了这些问题,才能够提高激光焊接的质量。
 
参考文献
[1]董航海,刘建华,杜汉斌等.焊接应力应变与变形的数值研究进展[J].电焊机,2003,(9).
[2]薛忠明,杨广臣,张彦华等.焊接温度场与力学场模拟的研究进展[J].中国机械工程,2002,(11).
[3]吴言高,李午申,邹宏军等.焊接数值模拟技术发展现状[J].焊接学报,2002,(3).
[4]曾志,王立君.数值模拟技术在焊接中的应用[J].天津大学学报,2008,(8).
 
   
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