6061/5A06電子束焊接熱源模型研究

程圣 周鳳龍

摘要：主要基于有限元技術進行模擬分析，確定材料參數，推導出熱源模型，高度還原了焊接過程中熔池形貌。

關鍵詞：電子束焊接;熱源模型;材料參數

0 引言

用數值模擬的方法來分析焊接過程關鍵在于獲取精確的溫度場，而熱源模型是否選取適當，對瞬態(tài)焊接溫度場的計算精度，特別是在靠近熱源的位置，有很大的影響。電子束焊接和激光焊接屬于具有小孔穿透效應的高能束焊接方法，由于焊接過程中伴有匙孔效應，束流可以沿深度方向對工件進行加熱，焊后形成深寬比較大的“釘頭”焊縫，在數值模擬中大多采用體熱源模型描述其焊接過程，已采用的熱源有雙橢球熱源，高斯分布的柱狀熱源，以及高斯旋轉體熱源等。與面熱源相比，體熱源考慮了深度方向上的熱源分布，因此可以得到更為準確的模擬結果。在焊接過程中，由于工件與高能束有一定的相對運動，使得小孔形狀不再具有旋轉對稱性，而已有的體熱源模型，除了雙橢球熱源模型外，其它的熱源模型都是基于熔池前后對稱求得的，都沒有考慮熔池前后能量分布不均的問題，雙橢球熱源模型雖能體現出小孔的不對稱現象，但是它不能夠模擬深熔穿透效應[1-3]。因此，建立一個基于高能束焊接深熔穿透及熔池的不對稱等特點的熱源模型對于該類焊接方法的準確數值模擬具有重要的理論與實際意義。

1 材料參數的確定

由于焊接過程是一個高度非線性的熱力耦合過程，材料參數對于計算結果有著重要的影響。本研究所有材料包括6061-T651和5A06鋁合金，而材料的參數尤其是材料參數隨溫度的變化關系對于焊接結構的焊接變形的影響尤為顯著的，本研究在查閱相關文獻的條件下，并結合一定的實驗驗證，獲得了與數值模擬相關的熱膨脹系數與溫度的關系曲線、彈性模量與溫度的關系曲線、屈服強度與溫度的關系曲線、熱傳導系數與溫度的關系曲線及比熱與溫度的關系曲線，見表1-5。

應該指出的是本研究把已有材料參數輸入到有限元分析程序中來，對于沒有數據的點采用線性插值的方法來獲得，從而使得所有溫度的材料參數均可獲得，從而保證有限元計算的順利進行。

由于目前對于材料在高溫段的數據還十分不健全，國際上通用的處理有限元問題的方法是通過低溫段的材料參數進行適當外推，以獲得高溫段的材料參數，本研究中也采用了這種通用做法，對于高溫階段的材料性能進行外推，使有限元分析能夠順利進行并使得計算結果收斂。

溫度對于材料的某些性能參數影響不是十分明顯，這里對于這些參數在各溫度下選擇相同的數值即這些參數取定值，5A06鋁合金密度2700Kg/m3、6061-T651鋁合金密度2680Kg/m3;泊松比取0.33。

2 熱源模型推導

本研究從電子束焊接的機理出發(fā)，基于電子束熱源模型的構建思想，調整了以往熱源模型的熱流分布，使熱源的熱流主要集中于指狀熔深周圍，得到與實際熔池形貌相似度很高的電子束熱源模型。改進的電子束熱源模型采用高斯狀分布的面熱源下面復合高斯旋轉體熱源，如圖1所示。

面熱源和體熱源的熱流密度分布函數分別為qs（x，y）和qv（x，y，z），在x-y平面上均符合高斯分布，為方便計算，將直角坐標系轉換為極坐標系：

通過熱流密度函數在各自作用區(qū)域求積分，求解出熱源中心qvmax（z）為體熱源中心熱流密度最大值沿著z方向的變化關系，國內外的研究文獻中對此定義各有不同，有線性變化和非線性變化兩種，對比發(fā)現，兩類變化導致熱源模型的形貌稍有差異。本研究根據電子束焊接熱源特點，選用線性變化趨勢，一則焊接熔池內部熱流密度集中分布符合電子束熱源特征，二則大大降低解析公式的復雜程度，便于熱源程序的實現。通過推到上面公式可得，體熱源公式為：

將熱源模型公式離散化，編譯電子束熱源子程序，在有限元計算軟件中建立模型，調用子程序進行計算，計算結果如圖2所示，通過與實驗結果比發(fā)現，所建立的電子束熱源模型高度還原了焊接過程中熔池形貌。

3 結論

本研究在分析電子束熔池尺寸特點的基礎上，根據具體的電子束焊接熔池形貌以及焊縫截面尺寸，首先進行熱源模型的理論推導，從電子束能量分布特征和能量守恒定律及基本的數學假設著手，建立電子束焊接的理論模型，提出適用于平臺典型結構電子束焊接熱源模型，高度還原了焊接過程中熔池形貌。

參考文獻：

[1]Goldark J.A New Finite Model for Welding Heat Source[J].Me tallurgical Transactions，1984，15B（2）：299-305.

[2]薛忠明，賈蘭，張彥華.激光焊接溫度場數值模擬[J].焊接學報，2004，25（1）：91-94.

[3]楊建國，陳緒輝，張學秋.高能束焊接數值模擬可變新型熱源模型的建立[J].焊接學報，2010，31（2）：25-28.

（作者單位：中國電子科技集團公司第二十九研究所）