不銹鋼激光焊接溫度場的有限元分析

張赫吉

【摘 要】用實(shí)驗(yàn)的方法來測量激光焊接過程中的溫度場的分布情況是十分困難的。在實(shí)際焊接中，往往都是通過工作人員的經(jīng)驗(yàn)來選取激光參數(shù)以及工藝參數(shù)的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對激光焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬。本文通過使用ANSYS有限元模擬分析軟件，對激光平板焊過中的溫度場分布進(jìn)行了模擬分析。

【關(guān)鍵詞】激光焊接 數(shù)值模擬 溫度場

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，激光器已經(jīng)成為一種安全可靠的生產(chǎn)工具被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，激光焊接作為激光加工的一項(xiàng)重要組成部得到了充分的開發(fā)。伴隨著大功率激光器的問世，在一些行業(yè)里，激光焊接已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在激光平板焊過程中，熔池附近溫度場的分布狀況是影響焊接接頭質(zhì)量的主要因素。但由于強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的熔池尺寸非常小，而且熔池溫度非常的高，所以不能直接對其進(jìn)行測量，而且激光移動(dòng)的速度很快，因此激光焊接過程中形成的熔池溫度場很難用實(shí)驗(yàn)的方法去精準(zhǔn)測量。

1焊接溫度場的基本理論

焊接三維溫度場控制方程如下所示：

在這個(gè)公式中： 代表的是區(qū)域V中的熱源的強(qiáng)度；T代表的是溫度場的分布函數(shù)； 代表的是導(dǎo)熱系數(shù)； 和c代表的是材料的密度以及材料的比熱。

2激光焊接數(shù)值仿真過程

2.1定義單元類型

ANSYS有限元分析軟件可以提供使用者上百種不同的單元類型，在研究熱問題方向時(shí)就有幾十種不同的單元類型可供選擇，本篇論文中需要研究的是三維熱傳導(dǎo)問題，ANSYS有限元分析軟件提供的這些單位類型中只有三種單元類型能用來研究三維熱傳導(dǎo)問題，這三種單元類型分別為SOLID70、SOLID87以及 SOLID90。在本文中選用的單元類型為SOLID70。

2.2激光焊接板材的屬性

在本文中我們所選取的激光焊接板材的種類為316不銹鋼，316不銹鋼為奧氏體不銹鋼的一種，因?yàn)樗哂懈吣透g性這一特性，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

2.3建模及劃分網(wǎng)格

這里我們使用APDL語言形式進(jìn)行建模，使用APDL語言形式更能體現(xiàn)有限元的思想，同時(shí)可以顯著提高加建模的效率以及修改模型時(shí)的效率。節(jié)約了建立模型所用的時(shí)間，降低了有限元解析的成本。

2.4施加邊界條件

2.4.1施加溫度邊界條件

在未焊接前板材上的溫度是和室溫相等的，所以選取板材的初始溫度為25℃。

在這個(gè)公式中： 代表的是與板材屬性相關(guān)的一個(gè)函數(shù)， 代表的是焊接過程中板材上的溫度， 代表的是初始溫度。

2.4.2施加熱源載荷

在本文中針對激光平板焊的數(shù)值模擬需施加圓錐高斯體移動(dòng)熱源模型，在函數(shù)編輯器中輸入下面這個(gè)公式：

在這個(gè)公式中：v代表的是焊接速度；t代表的是焊接時(shí)間。將這個(gè)公式輸入到函數(shù)編輯器中在讀取出來對應(yīng)的函數(shù)，給變量相對應(yīng)的值，以熱生成率的方式加載到各個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)上。

2.5求解和輸出控制

激光焊接的數(shù)值模擬分析屬于分線性瞬態(tài)分析，在進(jìn)入求解器后可以直接選定選分類型為瞬態(tài)分析。然后在控制窗口中打開對應(yīng)的選項(xiàng)，就可以進(jìn)行求解了。

3激光平板焊過程中溫度場的數(shù)值模擬

本文使用移動(dòng)圓錐高斯體熱源加載到板材上的方式，模擬了激光平板焊過程中溫度場的分布情況，本文選用的不銹鋼板材的尺寸為60×60×6（單位為mm），選取的參數(shù)為激光功率1500W，焊接速度0.01m/s，光斑直徑6mm。

焊接過程中熱源前面的等溫線的密度比后方的等溫線密度密集，溫度梯度比較大；熱源后面的等溫線分布比較疏，溫度梯度比較小，等溫線的形狀是展現(xiàn)出不規(guī)則的橢圓形分布在熱源移動(dòng)的軸向上。激光焊接進(jìn)行到1s-5s時(shí)，不銹鋼板材表面上的溫度場已經(jīng)進(jìn)入了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，焊接過程中所形成的熔池的相貌也并沒有發(fā)生變化。

4結(jié)語

本文中應(yīng)用ANSYS有限元模擬分析軟件模擬了激光焊接不銹鋼溫度場的分布。這個(gè)為研究激光焊接過程提供了參考依據(jù)，為實(shí)際的激光焊接生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

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