T型接頭激光焊接的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬

1、安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第卷第期文章編號(hào)：（）年月型接頭激光焊接的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬丁林，周永濤，李明喜（安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山）摘要：基于的焊接分析功能，采用有限元方法研究激光動(dòng)態(tài)焊接過程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)的變化情況，應(yīng)用軟件的校正工具對(duì)三維高斯熱源進(jìn)行校核?？紤]各相的熱物理性能參數(shù)與溫度的非線性關(guān)系，建立焊接過程的數(shù)學(xué)結(jié)果表明：隨焊接速度的減小，熱循環(huán)在高溫時(shí)刻模型和物理模型，以不銹鋼為例，對(duì)型接頭進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)模擬。停留時(shí)間增加，冷卻速度減慢；隨著遠(yuǎn)離起始端距離的增加拉應(yīng)力值逐漸減小轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，最后趨向零。關(guān)鍵詞：溫度場(chǎng)；應(yīng)力場(chǎng)；應(yīng)變場(chǎng)；有限元法中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)

2、識(shí)碼：，（，）：，：；近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真算法的發(fā)展、完善，焊接模擬技術(shù)變得越來越重要，它不僅能夠有效地提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益，還可以節(jié)省大量的時(shí)間。有限元法是伴隨計(jì)算機(jī)軟件及硬件技術(shù)發(fā)展起來的結(jié)構(gòu)分析方法，它已經(jīng)成功地解決了工程領(lǐng)域中的許多問題，廣泛應(yīng)用于焊接接頭的應(yīng)力應(yīng)變分析中。激光焊接利用高能量密度的激光束作為熱源，是一種高效精密的焊接方法，是一個(gè)快速且不均勻的熱循環(huán)過程。焊接熱源集中作用在焊件接頭部位，使焊件存在焊接溫度梯度，形成不均勻的溫度場(chǎng)，引起不均勻的應(yīng)力場(chǎng)。雖然構(gòu)件熱變形量小，但其焊接殘余應(yīng)力由于溫度梯度大可能達(dá)到很大的數(shù)值。焊接溫度場(chǎng)和焊接應(yīng)力變形場(chǎng)是影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率

3、的重要因素。一些研究者在焊接溫度場(chǎng)和焊接應(yīng)力變形場(chǎng)的模擬等方面做了大量工作。由于焊接過程的復(fù)雜性，優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)和焊接工藝設(shè)計(jì)，對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬仍具有重要的理論和實(shí)際意義。筆者利用大型焊接專用軟件對(duì)型接頭的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)模擬分析。溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的建立非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題的控制方程為：收稿日期：基金項(xiàng)目：安徽省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（），安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（）作者簡(jiǎn)介：丁林（），男，安徽阜陽人，碩士。第期丁林等：型接頭激光焊接的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬（）""""的熱量）；為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；，分別為坐標(biāo)軸。，隨溫度變化。初始條件：當(dāng)

4、時(shí)刻，工件具有均勻的初始溫度，一般為周圍環(huán)境溫度。"式中：，分別為材料的密度和比熱；為溫度；為時(shí)間；為內(nèi)部熱源（包括激光施加的熱量以及相變釋放邊界條件：（）（）邊界上的熱流密度分布%""（，）（）邊界上的物體與周圍介質(zhì)的熱交換"""（）"""（）（）式中：為單位面積上的外部輸入熱源；為表面換熱系數(shù)；為周圍介質(zhì)溫度；為導(dǎo)體表面上的溫度；，為邊界外法線的方向余弦。物理模型的建立有限元模型激光焊接的能量密度非常高，有效加熱區(qū)域非常小，在網(wǎng)格劃分時(shí)，要求在焊縫附近采用很小的網(wǎng)格尺寸，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域可以選擇較大的

5、網(wǎng)格尺寸，焊接熱源的加載方向與翼板成夾角。焊件的初始溫度為，焊件腹板尺寸××，翼板尺寸為××，三維有限元網(wǎng)格模型如圖所示。能量輸入圖三維有限元網(wǎng)格模型模型假設(shè)（）材料為各相同性材料；（）忽略熔池流體的流動(dòng)作用。焊接熱源焊接熱源選擇對(duì)焊接溫度場(chǎng)的計(jì)算精度，特別是對(duì)靠近焊接熱源的高溫區(qū)有很大的影響，激光焊接過程中相當(dāng)部分熱量是通過熱傳導(dǎo)和輻射直接輸給焊件的。為此，采用高斯分布熱源模型，如圖（）。高斯分布函數(shù)為（）（，）式中：為能量輸入率；（，）為時(shí)間時(shí)刻在（，）位置的熱流量；為熱源的集中系數(shù)；為焊接速度；為電源位置滯后的時(shí)間因素。焊接采用有效功率為，焊接速度

6、分別為，熱效率為。了進(jìn)一步提高熱源的準(zhǔn)確性，在計(jì)算前采用（）（熱源上限熱源下限（）高斯熱源軟件中的熱源校正工具，輸入具體的焊接結(jié)構(gòu)和尺寸、焊接材料的熱物理性能參數(shù)以及選定的焊接工藝參數(shù)對(duì)熱源進(jìn)行了校正，如圖（）所示。材料的熱物理性能參數(shù)安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)焊接過程的熱傳導(dǎo)是一個(gè)復(fù)雜的非線性問題，熱物理參數(shù)如熱傳導(dǎo)率、比熱、密度等隨溫度變化，材料的熱物理性能參數(shù)如圖。忽略固態(tài)相變潛熱的影響，考慮在熔點(diǎn)溫度處給定一個(gè)很大的階躍值。比熱（）溫度（）比熱隨溫度的變化圖材料的熱物理性能參數(shù)結(jié)果與分析型接頭的溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬是應(yīng)力數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，溫度場(chǎng)的分布對(duì)應(yīng)力的分布規(guī)律有極大的影響。圖給出不同掃描速

7、度下沿焊縫方向，時(shí)刻的溫度分布。從圖可以看出，在加熱過程中，隨著熱源的移動(dòng)，焊件上各點(diǎn)的溫度迅速升高；經(jīng)一段時(shí)間后形成準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。在隨后的冷卻過程中由于受到后面熱源的再熱作用，各位置的冷卻速度互不相等，隨時(shí)間的變化焊件上各點(diǎn)的溫度趨于穩(wěn)定，降至室溫。（），（），第期丁林等：型接頭激光焊接的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬（），圖（），型接頭不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布圖為垂直于焊接線方向上焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)不同節(jié)點(diǎn)（圖（）的溫度變化曲線。從圖（）可以看出，在時(shí)刻開始焊接后，在移動(dòng)熱源作用下母材逐漸熔化形成熔池，受熔化高溫金屬的預(yù)熱作用，焊縫上節(jié)點(diǎn)（，）的溫度逐漸升高，大約在時(shí)刻熱源移到該節(jié)點(diǎn)處，溫度達(dá)到

8、峰值；而后隨焊接過程繼續(xù)進(jìn)行，熱源移開，該節(jié)點(diǎn)處熔池開始冷卻，由于受到后面熔池的再熱作用，與加熱速度相比冷卻速度明顯緩慢；當(dāng)在時(shí)刻開始焊接第道時(shí)，由于第道焊接的預(yù)熱作用，焊縫上節(jié)點(diǎn)（，）的溫度從°逐漸升高，隨著焊接熱源的移動(dòng)，焊件上的節(jié)點(diǎn)（，）經(jīng)歷著與第道焊縫相同的熱循環(huán)過程。在熱影響區(qū)，各節(jié)點(diǎn)（，）同樣經(jīng)歷了與焊縫類似的熱循環(huán)，熱源雖然不對(duì)這些位置直接加熱，而是通過熱傳導(dǎo)間接加熱，其所達(dá)到的峰值溫度遠(yuǎn)低于焊接熔池，并且隨著遠(yuǎn)離熔池距離增大，峰值溫度明顯降低。（）圖焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)方向上各點(diǎn)的溫度變化（）從圖，可以看出，在不同焊接速度、同一時(shí)刻下，其溫度場(chǎng)的分布不同，小焊接速度

9、下，溫度場(chǎng)的分布比大焊接速度的較寬；在同一節(jié)點(diǎn)處，其經(jīng)歷的熱循環(huán)也不相同，隨焊接速度的減小，熱循環(huán)在高溫時(shí)刻的停留時(shí)間增加，冷卻速度減慢。型接頭的應(yīng)力場(chǎng)圖為接頭的應(yīng)力場(chǎng)分布。圖（），（）分別是，時(shí)第一道焊接結(jié)束時(shí)刻距焊縫起始端處腹板上表面各點(diǎn)的橫向應(yīng)力分布。從圖（）可以看出最大平均應(yīng)力在焊縫處分別達(dá)到；在距焊縫中心左右，焊縫處出現(xiàn)平均壓應(yīng)力，在距焊縫中心處平均壓應(yīng)力達(dá)到峰值，隨著距焊縫距離的增加平均應(yīng)力逐漸減小到零。圖（）中最大應(yīng)力為，在焊縫處首先是拉應(yīng)力，隨著距焊縫距離的增加，拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，之后再出現(xiàn)拉應(yīng)力，最后逐漸趨于穩(wěn)定。圖（），（）分別是，時(shí)第一道焊接結(jié)束時(shí)刻距焊縫起始端處腹板上

10、表面各點(diǎn)的縱向平均應(yīng)力分布。從圖（），（）可以看到，在焊縫的起始端為拉應(yīng)力，沿焊縫方向，各點(diǎn)的應(yīng)力值逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，隨著各點(diǎn)離熱源距離的減小，平均應(yīng)力值逐漸減小趨向于零；隨焊接速度的減小，腹板的拉、壓應(yīng)力明顯增加。圖為焊后型接頭熱應(yīng)變示意圖。從圖可以看到，焊件腹板發(fā)生撓曲變形，主要是焊件的橫向收縮引起的。焊件的翼板發(fā)生角變形，掃描速度為，最大應(yīng)變發(fā)生在焊縫附近分別為，；平均應(yīng)變隨著焊接速度的減小而減小。安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)圖腹板上表面各點(diǎn)的橫、縱向應(yīng)力分布從圖，可以看出最大應(yīng)力和變形發(fā)生在焊縫附近，由于焊件的邊緣受到約束，熱源附近的金屬受到熱源的直接加熱，隨著距焊縫距離的增加，由熱傳導(dǎo)作用獲得的

11、熱量越少，焊件金屬的熱膨脹變形就不一樣，而且焊縫金屬受到前后溫度較低金屬的限制和約束而承受壓應(yīng)力，使焊件在寬度方向上壓縮塑性變形，在焊后產(chǎn)生橫向收縮變形。在焊縫長(zhǎng)度方向上橫向收縮也不相同，隨熱源的移動(dòng)，先焊的焊縫橫向收縮對(duì)后焊的焊縫產(chǎn)生一個(gè)擠壓作用，使后焊的焊縫產(chǎn)生更大的橫向壓縮變形。結(jié)論（）隨焊接速度的減小，溫度場(chǎng)分布加寬，熱循環(huán)在高溫時(shí)刻停留時(shí)間增加，冷卻速度減慢。熔合區(qū)、熱影響區(qū)上各點(diǎn)的溫度隨距離的增大峰值溫度（）焊接溫度場(chǎng)隨時(shí)間和空間的變化，焊件熔池、明顯降低?？v應(yīng)力變化趨勢(shì)相近，隨著距離焊件起始端距離的增（）模擬型接頭焊接過程的應(yīng)力場(chǎng)，焊件的橫、加，拉應(yīng)力值逐漸減小轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，最后趨向零。參考文獻(xiàn)：汪建華焊接力學(xué)數(shù)值模擬的發(fā)展及其工程應(yīng)用中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)第次全國焊接學(xué)會(huì)論文集（）哈爾濱：黑龍江人民出版社，：，：李義丹，辛國