激光焊接溫度場數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀

激光焊接溫度場數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀

激光焊接作為一種高質(zhì)量、高精度、低變形、高效、快速的焊接方法，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子、輕工業(yè)、醫(yī)療和原子能工業(yè)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，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。由于激光焊接應(yīng)力與變形的根本原因在于焊接過程中不均勻的加熱和冷卻，因而對激光焊接溫度場的研究是激光焊接應(yīng)力和應(yīng)變分析的前提。所以，準確地認識激光焊接溫度場有很深刻的現(xiàn)實意義。以往對激光焊接溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場的分析都是通過試驗的方法測量并采集數(shù)據(jù)，進行定量分析。由于受試驗條件等方面的限制，所得數(shù)據(jù)的精確度并不高，而且浪費大量的人力、物力和時間。雖然這些問題可以通過解析方法即解某些特定的微分方程組來進行定量計算，然而，只有在十分簡單的情況下，并且作許多簡化的假設(shè)，才有可能求得這些方程閉合的解析解，而實際的焊接問題多種多樣，邊界條件十分復(fù)雜，用解析方法來求解這類微分方程是十分困難的。在高速電子計算機發(fā)展的今天，大多采用數(shù)值模擬的方法。數(shù)值模擬的方法有很多種，如差分法、有限元法、數(shù)值積分法、蒙特卡羅法等。特別是有限元法，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于焊接熱傳導(dǎo)、焊接熱彈塑性應(yīng)力和應(yīng)變分析的研究。一批性能好、使用廣泛的有限元程序軟件（如ANSYS,MARC,ADINA,SYSWELD等）的出現(xiàn)為研究人員提供了很好的模擬計算工具。ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)軟件，能夠進行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體、電磁場等科學(xué)的研究。在核工業(yè)、鐵路、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文介紹了基于ANSYS有限元分析軟件對激光焊接溫度場進行數(shù)值模擬的流程和幾個關(guān)鍵問題的處理以及激光焊接溫度場數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀。1anasas瞬態(tài)熱分析流程ANSYS熱分析分為穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析2種。激光焊接過程是一個局部快速加熱到高溫隨后冷卻的過程，隨著熱源的移動，整個焊件的溫度隨時間和空間急劇變化，材料的熱物理性能也隨溫度劇烈變化。因此，焊接溫度場分析以及引起的應(yīng)力場分析都屬于高度的非線性瞬態(tài)分析過程。分析流程圖如圖1所示。ANSYS瞬態(tài)熱分析主要有3個步驟：(1）前處理包括定義單元類型、輸入材料熱物理屬性、創(chuàng)建幾何實體模型、設(shè)置網(wǎng)格單元尺寸、生成有限元模型。(2）施加載荷和求解包括定義分析類型、設(shè)定載荷步選項、設(shè)置邊界條件、求解運算。(3）后處理ANSYS提供2種后處理方式：通用后處理（POST1），可以對模型的某一時刻的結(jié)果列表或圖形顯示；時間-歷程后處理（POST26），可以列表或圖形顯示模型中某一點隨時間的變化結(jié)果。2處理一些重要的問題2.1根據(jù)溫度變化分有限元網(wǎng)格的劃分既要有利于節(jié)省計算時間，還要保證焊縫處計算的精確性，所以應(yīng)該采用特殊的網(wǎng)格劃分形式。遠離焊縫位置的地方，由于溫度變化不明顯，應(yīng)采用比較大的網(wǎng)格尺寸，有利于節(jié)省計算時間；在焊縫位置附近，溫度場變化劇烈，需要采用較細密的網(wǎng)格劃分，以保證計算的精確性。所以采用從邊緣到焊縫漸密的網(wǎng)格劃分，焊縫處的最小網(wǎng)格尺寸要與激光光斑尺寸相當。2.2面熱源熱流密度激光焊接主要有2種機制：傳導(dǎo)焊和深熔焊。對于激光傳導(dǎo)焊接的溫度場計算，一般采取與電弧焊類似的處理辦法，把熱源看成點熱源或二維面熱源處理。面熱源的能量密度分布為高斯分布，如圖2所示。其函數(shù)表達式為：式中：qm為加熱斑點中心最大熱流密度；R為電弧有效加熱半徑；r為點A距電弧加熱斑點中心的距離。對于移動熱源，在深熔激光焊接中，由于小孔的存在，使得其與一般電弧焊加熱機理不同。對于小孔加熱的處理，一般采用沿厚度方向的線熱源或三維體熱源來模擬，再加上表面的高斯分布熱源就形成了一種組合式熱源，如圖3所示，總的輸入量由2個熱源按一定比例分配。2.3試驗過程的模擬計算偏差金屬材料的物理性能參數(shù)如比熱容、熱導(dǎo)率、彈性模量、屈服應(yīng)力等一般都隨溫度的變化而變化。當溫度變化范圍不大時，可采用材料物理性能參數(shù)的平均值進行計算。但焊接過程中，焊件局部加熱到很高的溫度，整個焊件溫度變化十分劇烈，如果不考慮材料的物理性能參數(shù)隨溫度的變化，那么計算結(jié)果一定會有很大的偏差。所以在焊接溫度場的模擬計算中一定要給定材料的各項物理性能參數(shù)隨溫度的變化值。但是，許多材料的物理性能參數(shù)在高溫特別是接近熔化狀態(tài)時還是無法獲取，某些材料僅有室溫數(shù)據(jù)，而高溫性能參數(shù)對焊接過程的模擬結(jié)果和計算過程均有較大影響，這會給模擬計算帶來很大的困難。當然，通過試驗和線性插值的方法可獲得高溫時的一些數(shù)據(jù)，但有時處理不當，就會導(dǎo)致計算結(jié)果不收斂或不準確。2.4輻射傳熱系數(shù)的計算焊件的邊界由于與外界存在溫度差而與周圍介質(zhì)換熱，其中包括對流換熱和輻射換熱。試驗表明，在焊接時熱能的損失主要是通過輻射換熱，而對流換熱作用相對較小。溫度越高則輻射換熱作用越強烈。一般輻射與對流換熱計算方式不同。為了計算方便，應(yīng)考慮總的換熱系數(shù)。這樣，因邊界換熱而損失的熱能可表示為:式中：T為焊件表面溫度；T0為周圍介質(zhì)溫度；β為表面換熱系數(shù)，β=βc+βe（βc為對流換熱系數(shù);βe為輻射換熱系數(shù)）。嚴格地說，對流換熱系數(shù)還與焊件的部位有關(guān)，因為周圍氣體流動特性不一樣，但要測出不同部位的對流換熱系數(shù)是很困難的，所以一般不予考慮。此外，與材料的其他物理性能參數(shù)一樣，換熱系數(shù)也隨溫度的變化而變化。在計算時，必須給定隨溫度變化的表面換熱系數(shù)值。2.5等效比熱容法焊接過程中，母材熔化時，由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，要吸收能量，反之，熔池凝固時，由液態(tài)變成固態(tài)，要放出熱量。所以在計算溫度場時，要考慮熔池相變潛熱對溫度場的影響，否則計算結(jié)果會有較大偏差。對于固態(tài)相變，由于其潛熱一般比固液相變潛熱小很多，通常將其忽略，但在高強鋼焊接時必須考慮其影響。對固液相變潛熱處理通常采取的方法有修正比熱容法、熱焓法和溫度回升法，這里對等效比熱容法做簡要介紹。等效比熱容法是通過材料的比熱容量在熔化溫度范圍內(nèi)的迅速上升或下降的變化來計算潛熱對結(jié)構(gòu)熱焓值的影響。等效比熱容法按下式計算：式中：C為不考慮潛熱時的比熱容；Ce為等效比熱容；ΔT為凝固溫度范圍；ΔQ為潛熱。2.6熔池對流的模擬熔池對流對溫度場的影響，在焊接速度比較快的情況下是不可忽略的。熔化金屬的流動對溫度場所起的作用主要是基于流體動力學(xué)的基本公式的一些推導(dǎo)和薄板焊接熔池的計算機模擬。對熔池對流的處理可以參考文獻，通過增加有效液體的熱導(dǎo)率來近似考慮對流的增強。等離子體對激光深熔焊溫度場的影響主要是通過對激光能量的吸收和對光束的散焦，為簡化模型，有些文獻認為任何位置的金屬，只要其溫度超過材料的沸點，則該處金屬汽化，但仍將其保留在模型中，以模擬小孔中等離子體的影響，此時認為該處金屬處于一種虛擬的高溫狀態(tài)。3熱分析過程的數(shù)值模擬法自從1973年Swift-Hook和Gick開始對激光焊溫度場進行研究以來，激光焊接熱過程數(shù)值模擬已經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷史。上世紀80年代初期，Mazumder采用有限差分法，發(fā)展了用于高斯分布的激光束與物質(zhì)相互作用過程的二維傳熱模型。后來，Chande和Mazumder修正了該有限差分熱傳導(dǎo)模型，研究中除考慮小孔、表面對流、輻射熱散失外，還考慮到熱物理性能隨溫度的變化，給出了移動熱源下物質(zhì)與激光相互作用的三維熱傳導(dǎo)模型。1984年，Goldak等人針對高能束焊接的特點提出了具有分布式的雙橢圓體熱輸入有限元模型。隨后，Ichiko等通過變動雙橢圓體熱源中的參數(shù)對Mazumder的三維激光焊模型作了改進，以解決任意高能束熱源下的溫度分布問題。1988年，Stem等將孔口等離子體的點熱源和小孔線熱源疊加，提出了點-線熱源的數(shù)學(xué)模型，其討論基于格林方程及高斯分布的激光熱源。1993年，Bonollo等建立點-線熱源的模型，他們將充滿金屬蒸汽的柱狀小孔的作用視為一個熱源，將羽狀等離子云視為另一熱源，該模型的計算值要比實測值大。雖然這種點-線熱源模型對小孔上部和下部的不同給予了解釋，但對有限厚度工件并不能得到滿意的結(jié)果。1997年，Wei和Shian給出用于計算拋物曲面回轉(zhuǎn)體熔池周圍溫度場的新的三維解析表達式，消除了以往模型中不考慮熔池中的流動、對流作用，垂直線熱源方向的熱傳導(dǎo)及動量平衡的缺陷。Wei還用新方法獲得了令人滿意的、準確的表面絕熱條件，從而提出了新的解析溫度場模型，并給出了一個點熱源表達式來修正線熱源，使強度與位置相關(guān)，克服了早期模型的缺陷。在國內(nèi)，有關(guān)激光焊接機理及焊接過程的數(shù)值模擬研究起步較晚，但發(fā)展比較迅速。2001年，劉順洪等人進行了薄板激光焊溫度場的分析與數(shù)值模擬，考慮了材料熱物性參數(shù)的溫度相關(guān)性、熔化潛熱以及對流輻射等對溫度場的影響，并對模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較，吻合較好。2002年，蔡志鵬等人針對焊接過程數(shù)值模擬計算效率低的難題，通過分析焊接熱源的特點，在移動高斯熱源的基礎(chǔ)上，提出分段移動熱源模型。該模型從宏觀上體現(xiàn)焊接熱源移動的特點，減少了描述熱源逐點移動所需的計算量，從而大幅度提高了計算效率。2003年，薛忠明等人深入分析了激光焊接小孔傳熱模型的特點，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。4有限元模擬研究有待進一步