激光焊接溫度場的分析與計算

0激光焊接熱過程的模擬及計算激光焊接是一種有效、準確的焊接方法，利用高能量密度的激光束作為震源。激光焊接具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度、適應(yīng)性強等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、微電子、輕工業(yè)、醫(yī)療及核工業(yè)等要求高精度和高質(zhì)量的焊接領(lǐng)域。由于激光焊接是一個快速而不均勻的熱循環(huán)過程,焊縫附近出現(xiàn)很大的溫度梯度,因此在焊后的結(jié)構(gòu)中也會出現(xiàn)不同程度的殘余應(yīng)力和變形,這些都成為影響焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量和使用性能的重要因素。準確地認識焊接熱過程,對焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、顯微組織分析以及最終的焊接質(zhì)量控制具有重要意義。20世紀70年代以來,國外很多學(xué)者對激光焊接機理進行了深入的研究,提出了蒸汽小孔模型?？紤]熔池形狀以及熔池中金屬的流動和熱流分布,考慮電子密度、離子化程度、等離子體對入射激光的吸收系數(shù)和激光焊接工藝參數(shù)對熔深的影響,建立了不同的能量吸收模型。這些研究偏向于應(yīng)用物理和量子力學(xué)的研究領(lǐng)域,在實際工程分析中存在一定的局限性。在國內(nèi),有關(guān)激光焊接機理以及激光焊接溫度場與力學(xué)場的數(shù)值模擬方面的研究正在引起重視。作者深入分析了激光焊接小孔傳熱模型,在此基礎(chǔ)上選取合適的熱源形式,研究了移動線熱源和高斯分布熱源作用下,準穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)激光焊接溫度場。利用MATLAB軟件及ANSYS有限元程序?qū)す夂附訙囟葓龇謩e進行了計算及模擬,并且將兩種分析結(jié)果進行了比較。最后還將有限元的模擬值與實測值進行了對比分析,驗證了小孔模型與高斯熱源在激光焊接溫度場模擬中的適用性(板厚≤4mm)。1pe計算和wolbachisvf當(dāng)激光功率密度達到106W/cm2時,激光能量向工件輸入的速率遠大于傳導(dǎo)、對流、輻射散熱的速率,材料表面產(chǎn)生汽化而形成小孔,激光能量是通過小孔而進行轉(zhuǎn)換和傳遞的。激光焊接中熔池與小孔的幾何特征如圖1所示。焊件表面被加熱、熔化、蒸發(fā),在蒸汽壓力的作用下形成小孔,當(dāng)小孔產(chǎn)生的蒸汽壓力與熔池中液體金屬的靜應(yīng)力達到平衡時,小孔是穩(wěn)定存在的。激光焊接中,小孔與工件作相對運動,運動過程中的動量擴散和熱量擴散的相對程度由佩克萊特準數(shù)(Pecletnumber)表示Ρe=vflcha0Pe=vflcha0,(1)式中:vf為焊接速度;lch為小孔半徑;a0為材料的熱擴散率,a0=k/ρc,k為工件材料的導(dǎo)熱系數(shù);ρ為密度;c為比熱。激光焊接中形成的小孔半徑lch可由下式計算lch=b(vfbeγE4κs)kL(Τv-Τm)ks(Τm-Τ0),(2)lch=b(vfbeγE4κs)kL(Tv?Tm)ks(Tm?T0),(2)式中:b為焊縫的半寬;vf為焊接速度;γE為歐拉常數(shù),γE=0.5772;κs為固態(tài)金屬的熱擴散率,取值同a0;kL為液體金屬的導(dǎo)熱系數(shù);ks為固態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù);Tv為材料的沸點;Tm為材料的熔點;T0為周圍環(huán)境溫度。研究表明,對于通常的激光焊接規(guī)范,Pe值小于0.2,小孔可近似為柱面。從傳熱學(xué)角度,這是一個移動的小圓柱面熱源問題。由于小孔的直徑(小于0.4mm)相對于工件尺寸很小,所以還可以簡化為移動線熱源問題。由于小孔的形成,激光能量是沿軸分布在整個厚度上。又因為工件的厚度較小(一般≤4mm),所以可以認為在板厚方向沒有溫差,熱量在面上傳播,溫度場分布是二維的。2熱流集中程度系數(shù)q激光器輸出的聚焦激光光斑的功率密度分布近似為高斯分布,考慮熱輸入為體熱源生熱,且該高斯熱源在板厚方向均勻穿透。高斯熱源的功率密度分布為q(x,y)=aΡπre2exp{-a[(x-vf)2+y2]r2e}q(x,y)=aPπre2exp{?a[(x?vf)2+y2]r2e},(3)式中:a為熱流集中程度系數(shù),對應(yīng)于a取1,2,3的值時,高斯熱源的能量分布百分比分別為63.2%,86.4%,95.02%;re為熱流分布的特征半徑;P為有效功率,取入射激光功率P0的40%～60%。激光焊接高斯熱源的功率密度分布如圖2所示。3激光焊接溫度場模擬3.1準穩(wěn)態(tài)激光焊的溫度場分布對于無限擴展板上作用勻速直線運動線狀熱源(速度為vf,厚度方向的熱功率為q/h)時,距移動熱源r處的溫度T(坐標x為熱源移動方向)的理論計算式為Τ-Τ0=qh2πλe-vfx/2a0Κ0(r√vf24a2+da)T?T0=qh2πλe?vfx/2a0K0(rvf24a2+da??????√),(4)式中:h為板的厚度;K0為第二類、零階修正貝塞爾函數(shù);傳熱系數(shù)d=2(αc+αr)/cρh,αc為對流換熱系數(shù);αr為輻射換熱系數(shù);λ為熱導(dǎo)率。使用式(4),代入材料特征參數(shù),就可以計算出準穩(wěn)態(tài)激光焊的溫度場分布。在溫度場的理論計算中,采用激光入射功率P0=2000W,焊接速度vf=25mm/s,坐標系隨熱源移動,x軸表示工件的運動方向,y軸與之垂直,都以毫米為單位。圖3給出了由Matlab計算出的理想的低碳鋼板激光焊接溫度場分布。3.2激光焊接溫度場的有限分析3.2.1內(nèi)熱源強度的測定非線性瞬態(tài)二維熱傳導(dǎo)問題的控制方程為cρ?Τ?t=??x(κ?Τ?x)+??y(κ?Τ?y)+ˉQcρ?T?t=??x(κ?T?x)+??y(κ?T?y)+Qˉˉˉ,(5)式中:ˉQ為內(nèi)熱源強度。3.2.2瞬態(tài)熱分析單元的選取及網(wǎng)格的建立初始條件:當(dāng)t=0時,工件具有均勻的初始溫度,一般為周圍環(huán)境溫度。T=T0。(6)邊界條件:首先考慮熱源作用的高斯熱流分布。另外,表面對流與輻射的換熱邊界條件為k?Τ?n=α(Τ-Τ0),(7)式中:α為總換熱系數(shù)。在ANSYS有限元分析模型中,選取Solid70作為瞬態(tài)熱分析單元。實際采用該單元所進行的分析為三維分析,只是在激光焊接時施加厚度方向均布的高斯體熱源,整個焊件的溫度場都可用表面二維溫度場分布近似表示。焊縫中心線和熱影響區(qū)由于會出現(xiàn)溫度梯度極高的區(qū)域,所以需采用加密網(wǎng)格。激光焊溫度場有限元網(wǎng)格劃分如圖4所示。4瞬態(tài)有限元分析考慮材料導(dǎo)熱系數(shù)與比熱等熱物理參數(shù)的溫度相關(guān)性,研究非線性瞬態(tài)條件下,激光焊接的溫度場分布。同樣采用激光入射功率P0=2000W,焊接速度vf=25mm/s,入焦量取0.5mm。工件材料為低碳鋼,材料規(guī)格為100mm×50mm×4mm。瞬態(tài)有限元模擬結(jié)果如圖5所示。平板中心點的熱循環(huán)曲線如圖6所示,它清楚地表示了焊縫中心點的冷卻速度以及所能達到的峰值溫度。對比以上兩種模型的結(jié)果可以看出有限元模擬的平板中心點峰值溫度與移動線熱源模型的峰值溫度都遠大于材料的熔點,約為2450℃。從t=15s開始到接近焊接結(jié)束時,瞬態(tài)有限元分析的激光焊接溫度場基本處于準穩(wěn)定狀態(tài),而且熔池與熱影響區(qū)的形狀及尺寸大小與采用移動線熱源模型計算的結(jié)果極為相似。在工件表面依次取坐標點A(25,5)、B(50,3)、C(75,1.5)三點,用于試驗結(jié)果和模擬結(jié)果的比較,如圖7所示。試驗采用與模擬相同的焊接規(guī)范,采用熱電偶測溫技術(shù)進行焊接熱循環(huán)測定,試驗測得各點的熱循環(huán)曲線與模擬熱循環(huán)曲線對比如圖8所示?？梢钥闯?兩者基本吻合,從而驗證了溫度場模擬的準確性。5平板煤調(diào)濕的熱分析對激光焊接溫度場進行了移動線熱源條件下準穩(wěn)態(tài)溫度場計算,對高斯分布熱源作用下的激光焊接溫度場進行了二維瞬態(tài)有限元分析。對比以上兩種模型的結(jié)果可以看出,有限元模擬的平