激光焊接温度场数值模拟讲解

第２４卷第２期 ２ＯＯ 焊接学报

ｖ０１．２４Ａｐｒｉｌ Ｎｏ．２２０Ｏ３

３年４月ＴＲＡＮＳＡＣ’ｎ０ＮＳ０ＦＴＨＥＣＨＩＮＡ碍砸ＬＤＩＮＧＩＮＳｎＴＵｒｎＯＮ

激光焊接温度场数值模拟 薛忠明，顾 兰，

张彦华

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院。北京１０００８３）

摘要：深入分析了激光焊接小孔传热模型的特点，在此基础上选取合适的热源形式，研究了移动线热源和高斯分布热源作用下，准稳态与瞬态激光焊接温度场。利用ＭＡＴ－ＬＡＢ软件及ＡＮｓＹＳ有限元分析程序对激光焊接温度场分别进行了计算及模拟，并且将两种分析结果进行了比较。最后还将有限元的模拟值与实测值进行了对比分析，进一步验证了小孔模型与高斯热源在激光焊接温度场模拟中的适用性。关键词：激光焊接；温度场；有限元；ＡＮｓＹｓ 中围分类号：１嘶６

Ｏ

文献标识码：Ａ文章编号：０２５３—３６０ｘ（２００３）０１—７９—０４薛忠明 序言

实测值进行了对比分析，验证了小孔模型与高斯热源在激光焊接温度场模拟中的适用性（板厚≤４ｍｍ）。

激光焊接是利用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。激光焊接具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度、适应性强等优点，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。 １

激光焊接中的小孔传热模型

当激光功率密度达到１０６Ｗ，／ｃｍ２时，激光能量

由于激光焊接是一巾陕速而不均匀的热循环过

程，焊缝附近出现很大的温度梯度，因此在焊后的结构中也会出现不同程度的残余应力和变形，这些都成为影响焊接结构质量和使用性能的重要因素。准确地认

识焊接热过程，对焊接结构力学分析、显微组织分析以及最终的焊接质量控制具有重要意义。

２０世纪７０年代以来，国外很多学者对激光焊接机理进行了深入的研究，提出了蒸汽小孔模型。考虑熔池形状以及熔池中金属的流动和热流分布，考虑电子密度、离子化程度、等离子体对入射激光的吸收系数和激光焊接工艺参数对熔深的影响，建立了不同的能量吸收模型”。。这些研究偏向于应用物理和量子力学的研究领域，在实际工程分析中存在一定的局限性。在国内，有关激光焊接机理以及激光焊接温度场与力学场的数值模拟方面的研究正在引起重视。

作者深入分析了激光焊接小孔传热模型，在此基础上选取合适的热源形式，研究了移动线热源和高斯分布热源作用下，准稳态与瞬态激光焊接温度场。利用ＭＡｌｌＡＢ软件及ＡＮＳＹｓ有限元程序对激光焊接温度场分别进行了计算及模拟，并且将两种分析结果进行了比较。最后还将有限元的模拟值与 收稿日期：２００２—０７—１２

向工件输入的速率远大于传导、对流、辐射散热的速率，材料表面产生汽化而形成小孔，激光能量是通过小孔而进行转换和传递的。

激光焊接中熔池与小孔的几何特征如图ｌ所示。焊件表面被加热、熔化、蒸发，在蒸汽压力的作用下形成小孔，当小孔产生的蒸汽压力与熔池中液体金属的静应力达到平衡时，小孔是稳定存在的‘“。 固１Ｈｇ．１

激光焊接熔池与小孔几何特征囤

Ｇ岫ｅｔｒ萱ｃｆ嘲ｕｒ嚣０ｆｍｏｌｔｅｎ ａｎｄｋｅｙｈ０Ｉｅｉｎ ｐｏｏｌ

Ｊ∞ｅｒｗｅⅫ咂ｇ

激光焊接中，小孔与工件作相对运动，运动过程

中的动量扩散和热量扩散的相对程度由佩克莱特准 万方数据 ８０

焊接学报 第２４卷

数（Ｐｅｃｌｅｔｎｕｍｂｅｒ）表示 Ｐｅ＝等， （１）

式中：蜥为焊接速度；ｚ。。为小孔半径；口０为材料的热 扩散率，ｎ。＝＆伽，ｋ为工件材料的导热系数；ｐ为密 度；ｃ为比热。

激光焊接中形成的小孔半径ｋ可由下式计算 ｋ：ａ（等）粼，

㈤

式中：６为焊缝的半宽；蜥为焊接速度；＇，为欧拉常

数，ｙ，；Ｏ．５７７２；Ｋ．为固态金属的热扩散率，取值同口。；ｋ为液俸金属的导热系数；％．为固态金属的导热系数；ｔ为材料的沸点；气为材料的熔点；％为周围环境温度。

研究表明，对于通常的激光焊接规范，Ｐ．值小于Ｏ．２，小孔可近似为柱面。从传热学角度。这是一个移动的小圆柱面热源问题。由于小孔的直径（小 于Ｏ．４ｍｍ）相对于工件尺寸很小，所以还可以倚化

为移动线热源问题。由于小孔的形成。激光能量是沿轴分布在整个厚度上。又因为工件的厚度较小

（一般≤４一），所以可以认为在板厚方向没有温 差，热量在面上传播，温度场分布是二维的。 ２激光焊接热源模型

激光器输出的聚焦激光光斑的功率密度分布近似为高斯分布，考虑热输入为体热源生热，且该高斯热源在板厚方向均匀穿透。高斯热源的功率密度分布为 水，ｙ）＝摹唧｛－业掣１，（３）

式中：ｄ为热流集中程度系数，对应于。取ｌ，２，３的值时，高斯热源的能量分布百分比分别为６３．２％，８６．４％，９５．０２％；ｒ．为热流分布的特征半径；Ｐ为有效功率，取入射激光功率Ｐｏ的４０％一６０％。激光焊接高斯热源的功率密度分布如图２所示。３ 激光焊接温度场模拟 ３．１

移动线热源条件下准稳态遵度场计算模型

对于无限扩展板上作用匀速直线运动线状热源（速度为蜥，厚度方向的热功率为∥＾）时，距移动热源ｒ处的温度ｒ（坐标ｘ为热源移动方向）的理论计算式‘３１为 万

方数据圈２激光焊接热—膏斯分布圈 晰２

蛐ｍ鲥ｈ旺蚰０ｆｂ哪删ｍｌ瓣州曲堰 卜％２赤ｅ－ｔｆ咖Ｋ（括＋詈），（４）

式中：ｈ为板的厚度；Ｋ为第二类、零阶修正贝塞尔函数；传热系数ｄ＝２＜％＋ａ。）／ｑ旃，ａ。为对流换热系数；ａ。为辐射换热系数；＾为热导率。 使用式（４），代人材料特征参数，就可以计算出准稳态激光焊的温度场分布。 在温度场的理论计算中，采用激光入射功率Ｐｏ＝２０００ｗ，焊接速度蜥＝２５ｍｎ／８，坐标系随热源移动，＊轴表示工件的运动方向，ｙ轴与之垂直，都以毫米为单位。图３给出了由Ｍａ山ｌｂ计算出的理想的低碳钢板激光焊接温度场分布。３．２激光焊接温度场有限元分析３．２．１控制方程 非线性瞬态二维热传导问题的控制方程为 甲警＝未（ｘ期＋茜（×期＋＿’（５）甲面２磊ｌ”瓦Ｊ＋面Ｉ。面Ｊ＋Ｖ， ¨Ｊ

式中：Ｑ为内热源强度。３．２．２初始条件与边界条件

初始条件：当‘＝０时，工件具有均匀的初始温度，一般为周围环境温度。 ｒ＝％。

（６）边界条件：首先考虑热源作用的高斯热流分布。另外，表面对流与辐射的换热边界条件为

＾芝＝ａ（ｒ一％）， （７）

式中：ａ为总换热系数。

在ＡＮｓＹＳ有限元分析模型中，选取ｓｏＨｄ７０作 为瞬态热分析单元。实际采用该单元所进行的分析

为三维分析。只是在激光焊接时施加厚度方向均布的高斯体热源，整个焊件的温度场都可用表面二维温度场分布近似表示。焊缝中心线和热影响区由于

会出现温度梯度极高的区域，所以器采用加密网格。 第２期薛患明，等：激光焊接温度场数值模拟８ｌ

圈４激光焊接噩度塌模拟有限元舟格划分啦．４ｎｎＩｋ咖删ｍ哺ｆｏｒ岫岬帆鲥ｄｄｍｕｈ岫ｈｌ姗卅哦ｌｌｎｇ

４结果分析

考虑材料导热系数与比热等热物理参数的温度万 方数据相关性，研究非线性瞬态条件下，激光焊接的温度场分布ｍ“。同样采用激光入射功率Ｐ０＝２０００ｗ，焊接速度蜥＝２５ｍＩｎ／ｓ，人焦量取Ｏ．５ｍ。工件材料为低碳钢，材料规格为１００∞×５０ｍ×４ｍ。瞬态有限元模拟结果如图５所示。圈５工件在不同时刻的蕾度场分布朋ＦＩｇ．５脚ｎ岫弛删ｂ删∞０ｆ硼州呻慨ｎ棚ｍ慨缸平板中心点的热循环曲线如图６所示，它清楚地表示了焊缝中心点的冷却速度以及所能达到的峰值温度。对比以上两种模型的结果可以看出有限元模拟的乎板中心点峰值温度与移动线热源模型的峰值温度都远大于材料的熔点，约为２４５０℃。从Ｉ＝１５ｓ开始到接近焊接结束时，瞬态有限元分析的激光焊接温度场基本处于准稳定状态，而且熔池与热影响区的形状及尺寸大小与采用移动线热

源模型计算的结果极为相似。 焊接学报第２４卷 ２５００ ２０００ １５００ １０∞

■§■ ５００ ０４８

１２１６２０２４２８ ３２ ３６柏

Ｔｉｍｅｆ／８

图６平板中心点的热循环曲线 №．６

１ｋｍ岫留ｄｅａ州ｅ ０ｆ

ｐｌａｋ啪ｔｅｒ

在工件表面依次取坐标点Ａ（２５，５）、Ｂ（５０，３）、圈７平板中的模拟与测量点 ｎｇ’７

Ｓｈｕｌ州仰帅ｄ娃ｐｅ血Ｉ蚰ｔｐｏｌｎｂ Ｉｎ

ｐｌａｔｅ ＃＝＝。１ 、 Ｃ 《 Ｉ ＾ ｊ、 ＼ Ｊ 、一

１１ ］ ｜ ，］ －ｋ 皇

娜咖哪伽詈姗暑瑚协 ｜ ， ● ．／ Ｏ ４ ８ １２ １６

２０ ２４ ２８３２ ３６ ４０

啊口ｔ‘／０１ Ｂ

圈８模拟值与实测位的比较 万

方数据示。可以看出，两者基本吻合，从而验证了温度场模拟的准确性。 ５结 论

封激光焊接温度场进行了移动线热源条件下准

稳态温度场计算，对高斯分布热源作用下的激光焊接温度场进行了二维瞬态有限元分析。对比以上两种模型的结果可以看出，有限元模拟的平板中心点峰值温度与利用移动线热源模型计算的峰值温度都远大予材料的熔点。另外，瞬态有限元分析中焊接温度场存在一段较长时间的准稳定状态，且由两模型获得的熔池与热影响区的形状和尺寸大小极为相似。

通过平板上Ａ、Ｂ、ｃ三点的热循环曲线的模拟值与实测值相比较，验证了小孔模型和高斯热源在激光焊接温度场模拟中的适用性（板厚≤４ｍｍ）。 参考文献

［１］朱企业．激光精密加工（Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９０【２］ ｋｅＪ Ｙ，Ｋｏ ｓ

Ｈ．Ｆ啪Ｄ

Ｆ，“ｏｆ．Ｍ∽ｈ虮ｉｓｍｄｋｅｙｈｄｅｆｏ邢ａ—

ｄｏｎ舡ｄｍｂ订竹ｉｎ咖ｔｉ删８ｒｙ‰ｗｄｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｊ伽ｍｄ ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ

Ｄ：＾ｐ口ｉｃｄＰｈｙｓｉｃｓ．２００２，３５（１３）：１５７０—１５７６．

［３］拉达伊Ｄ．焊接热效应［Ｄ］．北京：机械工业出版杜，１嘶． ［４】徐九华，罗玉梅，张靖周．激光焊接传热过程的数值计算［Ｊ］ 东南大学学报，１９９９，２９（１１）：６２—６７． ［５］

ｃ删ｉ印趴ｉｃ，Ｍ删Ｒ，Ｔｂ∞ｎ；Ｇ．Ｔ讪ｅｉｅｎｔ ６ｎ沁ｄ唧ｅｎｔ蚰ｍｙ硝８

ｏｆｄ６ｃｐｐｅｍｔｒ８６帆１ａｓ盯ｗｅｌｄｉ“ｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ａ

ｄｎ出。ｐ螂ｂｕｎ?们ｌ－ ｄｅｄｔｍｃｋ Ｂｌｅｅｌ

ｐｌ－ｋ［Ｊ］ｃｏ“ｐｕ把ｒＭｅｔｈｏｄ８妯ＡｐｍｉｅｄＭｅｃｈ趼ｉｃＢ

Ｅｎ画ｎ∞ｄ“ｇ，１９９９，１７９（３）：１９７～２１４．［６］ Ｂ邢盱ｍ蚰ｎ

ｃ，Ｍａｌｌｄｃ

Ａ。Ｂｃｎ啦廿ｎ．ｃ砌ｐｄ啪ｏｆ ｅｌｐｅｄ㈣一 ｔｄｌ

ｌ竹岫㈣ｎｌ拍盯ｂｃ８ｍ枇ｌｄｉ“ｇ

ｄｅｆｅ肿ｉｎｃｄ蛐ｄｎｕｍｅｄｃａｌｄ舢ｌｄＬｅｄｔ哪Ｆ州吣ｍ６ｄｄｓ ｆｏｒ

０ｆｇｔｅｅｌ蛐ｄ ｄｕｍｉ㈣＾１１０ｙ— ｑ皿－

ｉ“铲［Ｊ］．Ｅｌｓ州ｉ盯ｓｄｅ呻ｃ

ｈｄ，２咖，１０（３３）：４５３—４６３．

作者简介：薛忠明，男，１９７１年出生，博士研究生。主要从事焊 接结构ｃＡＥ以及焊接热力过程数值模拟等方面的研究。发表论文６篇。 Ｅｍａｎ：ｘＩｌｃ扭ｌｌｉ“ｇ＠ｖｉｐ．ｄⅥ．ｃｏｍ

ｃ（７５，１．５）三点，用于试验结果和模拟结果的比较，如图７所示。试验采用与模拟相同的焊接规范，采用热电偶测温技术进行焊接热循环测定，试验测得各点的热循环曲线与模拟热循环曲线对比如图８所

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tshf.html