激光焊接的温度场及焊缝残余应力分析讲解.docx

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激光焊接的温度场及焊缝残余应力分析讲解

第28卷第4期长春理工大学学报

Vol128No142005年12月

JournalofChangchunUniversityofScienceandTechnology

Dec.2005

　　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。

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,,量难以保证。

ANSYS对焊接结构的温度场及残余应力进行分析,便于工程应用。

关键词:

激光焊接;温度场;;中图分类号:

:

文章编号:

1672-9870（200504-0024-03

oftheTemperatureEnvironmentandthe

WeldingLine′sRemainingStressoftheLaserWelding

SONGLinSen　LIZhanGuo　SHIGuoQuan（SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,

ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun　130022

Abstract:

Thelaserweldingisafastandunevenheatcyclicalprocess.Becauseofcomplexityofthein2teractivebetweenlaserandmaterial,itisverydifficulttoguaranteethequalityofthelaserwelding.Thethermodynamicsmodelofthelaserweldinghasbeensetupinthistextonthefoundationofthecharacter2isticsandactualprocessenvironmentofthelaserwelding.Itsremainingstressandtemperatureenviron2menthavebeenanalyzedusingANSYS.Itcanpredicttheweldstructurequalityanditsusingcapability,andithavefacilitatedtheprojectapplication.

Keywords:

laserwelding;temperatureenvironment;remainingstress;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

:

ρ（Tc（Tt=x（kx（Tx

+

y（ky（Ty+z（kz（Tz

+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（Tc（Tt=x（k（Tx

+

y（k（Ty

+Q

初始条件:

T（x,y,0T0（3

T0为环境温度,

边界条件:

knn

+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Quad13,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。

214为依据,利。

本文

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:

H=

∫

τ

ρc（τdτ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113×105

W/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（Post26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

者的峰值温度都超过了铜的熔点温度（1083℃,约为1500℃。

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=975MPa,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]YueTM,XuJH,ManHC.

PulsedNd-YAGLaser

WeldingofASicParticulateReinforcedAluminiumAlloy[J].Composite.AppliedCompositeMaterials.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.