基于ANSYS的高硅鋁合金平板對接激光焊數(shù)值模擬

王鵬陸　何慶國

摘要：介紹目前國內(nèi)外高硅鋁合金激光焊接的趨勢，詳細闡述ANSYS激光焊接有限元模擬的分析過程，從幾何模型的建立、網(wǎng)格劃分、定義材料屬性等方面介紹了前處理過程;從熱源的加載、生死單元技術(shù)、瞬態(tài)熱分析方面介紹了溫度場分析過程，獲得了焊接及冷卻過程溫度場分布情況;通過ANSYS后處理器得到了溫度場分布云圖;通過熱結(jié)構(gòu)耦合過程得到了焊接瞬時應(yīng)力分布。仿真得到的溫度場滿足焊接溫度需求，應(yīng)力場分布會產(chǎn)生一定的形變。

關(guān)鍵詞：高硅鋁合金;網(wǎng)格劃分;體生熱率熱源;生死單元;通用后處理器

中圖分類號：TG457.14文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0123-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.22

0 前言

目前國內(nèi)外在微波組件外殼封裝領(lǐng)域的焊接材料主要有Al、Cu、Mo、W、Kovar、Invar和W-Cu等，其中Kovar合金和Invar合金雖然熱膨脹系數(shù)較低，但其熱導(dǎo)率差、密度高、剛度低，不能滿足電子設(shè)備輕量化的要求。Cu與熱膨脹系數(shù)較小的Mo和W混合形成的復(fù)合材料雖然熱導(dǎo)率較高，但其密度過高，不宜作航空航天材料。Al 具有熱導(dǎo)率較高、密度較低、成本低及強度高等優(yōu)點，可以采用較高含量的低熱膨脹系數(shù)顆粒進行復(fù)合，從而降低合金的熱導(dǎo)率，與半導(dǎo)體材料相匹配，因此新型高硅含量的硅鋁復(fù)合材料（常稱作高硅鋁合金）的出現(xiàn)引起了研究者的重視。高硅鋁合金熱膨脹系數(shù)為4.1～23.6×10-6/K，提高硅含量可顯著降低合金材料的密度及熱膨脹系數(shù)。同時，高硅鋁合金還具有熱導(dǎo)性能好，剛度較高，與金、銀、銅、鎳的鍍覆性能好，與基材可焊，易于精密機加工等優(yōu)越性能。但高硅鋁合金焊接時常會出現(xiàn)裂紋等焊接缺陷，本文基于ANSYS有限元仿真軟件，期望得到一種適用于平板對接焊的焊接工藝。

通過ANSYS進行熱結(jié)構(gòu)耦合分析，得到整個激光焊接[1-2]過程的溫度場和應(yīng)力場動態(tài)變化過程，盡可能模擬實際焊接過程[3-4]，提供理論依據(jù)。ANSYS瞬態(tài)分析[5-6]主要步驟如下：（1）前處理（prep7），主要包括定義單元類型、定義熱分析物理參數(shù)和應(yīng)力分析參數(shù)、建立幾何模型、劃分網(wǎng)格等;（2）求解，包括定義分析類型、定義求解選項、定義變量、激活生死單元、穩(wěn)態(tài)分析、瞬態(tài)分析等;（3）后處理，包括通用后處理器POST1，可檢查整個模型在某一載荷步和子步的響應(yīng)結(jié)果;時間—歷程后處理器POST26，檢查模型的指定節(jié)點的結(jié)果項隨時間頻率的變化情況，并將這些結(jié)果通過繪制曲線方式查看。

1 模型的建立

1.1 幾何模型的建立

有限元模型的主要要素是：節(jié)點、單元、實常數(shù)、材料的屬性、邊界條件和載荷。生成模型關(guān)鍵點，連接這些點生成線進而生成面，最后通過拉伸操作形成三維體模型。本次模擬采用兩塊規(guī)格為300 mm×150 mm×10 mm的高硅鋁合金平板拼接而成，其中一塊平板為CE11高硅鋁合金，其化學成分為w（Al）50%+w（Si）50%，另一塊平板為CE17高硅鋁合金，其成分為w（Al）73%+w（Si）27%，兩塊板拼接焊縫處采用角度為60°的V型坡口，其模型建立如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

單元選擇應(yīng)取決于分析問題的物理性質(zhì)，選定的單元類型決定了問題的物理環(huán)境。熱分析單元[7]主要包括二維的PLANE55、PLANE35，三維的SOLID70、SOLID90，以及耦合場的SOLID5，熱分析單元采用SOLID70，結(jié)構(gòu)分析時將單元類型轉(zhuǎn)為SOLID45。其中焊縫區(qū)采用網(wǎng)格尺寸5 mm的六面體網(wǎng)格，遠離焊縫區(qū)采用網(wǎng)格尺寸10 mm的六面體網(wǎng)格，中間過渡區(qū)域選擇網(wǎng)格尺寸10 mm的四面體網(wǎng)格，見圖2。

1.3 定義材料屬性

熱分析中，需要定義材料隨溫度變化的密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)及比熱容等屬性，而結(jié)構(gòu)分析中需要定義材料的彈性模量、屈服強度、切變模量、熱膨脹系數(shù)及泊松比等屬性，高溫時的材料屬性一般通過實驗及插值法獲得。其中CE11和CE17高硅鋁合金的熱分析參數(shù)如表1所示。

2 熱分析求解

2.1 非線性求解選項設(shè)置

焊接數(shù)值模擬是一個瞬態(tài)分析過程，因此對求解選項的設(shè)置決定了求解過程的準確性。在焊接數(shù)值模擬求解中一般采用如下命令流：（1）ANTYPE，4，設(shè)置分析類型為瞬態(tài)分析;（2）trnopt，full 完全瞬態(tài)積分法;（3）nropt，full，on，打開完全牛頓-拉普森選項，每進行一次迭代，就修正一次剛度矩陣;（4）lnsrch，on，打開線性搜索;（5）autots，on，打開自動步長;（6）kbc，0，連續(xù)性載荷;（7）neqit，50，規(guī)定每個子步中最大迭代次數(shù)。

2.2 熱源的加載

對于熱結(jié)構(gòu)耦合分析，一般采用熱分析，即僅考慮溫度場對應(yīng)力場的影響。先進行熱分析，得到焊接過程的溫度場分布，再將節(jié)點溫度作為載荷施加在結(jié)構(gòu)分析中。熱源可分為集中熱源、平面分布熱源和體積分布熱源?？紤]到焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變現(xiàn)象，試驗采用體生熱率熱源[8]，該熱源對于網(wǎng)格劃分細度的要求較寬松，適合模擬熔敷過程。體生熱率計算公式為

式中 K為焊接熱源的熱效率;U為焊接電壓;I為焊接電流;A為焊縫的橫截面積;V為焊接速度;DT為每個載荷步的時間。對于激光焊，熱效率K值取0.75，U=30 V，I=200 A，焊接速度v=0.01 m/s;DT=0.5 s，焊縫寬0.01mm、高0.01mm，可得出：橫截面積A=0.01×0.01×tan（30） m3，將式（1）代入ANSYS命令流中即可實現(xiàn)熱源加載。

2.3 生死單元技術(shù)

生死單元法[9]適用于大多數(shù)靜態(tài)和非線性瞬態(tài)分析中。在進行求解分析時，需對焊縫進行生死單元操作。在焊接開始前將焊縫單元“殺死”并在每一步熱應(yīng)力計算時選擇對應(yīng)溫度場的計算結(jié)果，超過熔點熔化的單元將其“殺死”，其單元載荷矢量設(shè)置為0矢量，而低于熔點的單元和超過熔點未熔化的單元將其“激活”，通過單元剛度乘以一極小的縮減系數(shù)（缺省值1e-6）來實現(xiàn)，命令流為EKILL。通過焊縫的“殺死”與“激活”操作，實現(xiàn)熱源在焊縫上移動的循環(huán)過程。

2.4 瞬態(tài)熱分析

在瞬態(tài)分析前需進行一步穩(wěn)態(tài)分析操作，穩(wěn)態(tài)分析設(shè)置模型初始溫度為25 ℃，模型外表面節(jié)點設(shè)置對流換熱系數(shù)，設(shè)置邊界條件下經(jīng)一段時間后達到穩(wěn)態(tài)效果，確保整個模型的節(jié)點具備初始溫度條件。穩(wěn)態(tài)分析完成后進行瞬態(tài)分析，通過生死單元法來實現(xiàn)，選擇每一步的焊縫單元將其激活后施加體生熱率完成迭代，再次選擇該焊縫單元刪除施加的體生熱率，通過如下命令流實現(xiàn)：

將一個瞬態(tài)分析時間dT中熱源的加載通過do循環(huán)語句即可實現(xiàn)熱源在焊縫上的移動過程。在本次分析中，焊縫長0.3 m，焊接速度0.01 m/s，每個載荷步時長0.5 s，可得需循環(huán)60步完成焊縫焊接過程。同理，在不施加熱源的情況下繼續(xù)進行熱源的推移即可完成焊后冷卻過程。為了便于分析，試驗選取焊縫冷卻120 s至室溫。

3 溫度場后處理

瞬態(tài)分析求解完成后需對分析結(jié)果進行后處理以直觀地反應(yīng)焊接過程中溫度場的變化情況。完成了求解過程后，通過輸入/POST1命令進入POST1通用后處理器[10-11]，在主菜單中選擇General Postproc|Plot Results|Contour Plot命令展開等值線圖繪制菜單項，選擇Nodal Temperature即可查看溫度場云圖，結(jié)果如圖3～圖6所示。

由圖3～圖6可知，焊接10 s后焊縫上最高溫度1 067.1 ℃，焊接20 s后焊縫最高溫度1 068.29 ℃，焊接30 s后焊縫達到最高溫度1 213.8 ℃，冷卻120 s后焊縫溫度為117.9 ℃。與硅鋁合金相圖（見圖7）熔點進行對比可知，CE17合金Si含量為50%，液相線溫度1 038 ℃，CE11合金Si含量27%，液相線溫度725 ℃，熔池溫度超過兩種合金熔點，能夠滿足焊接需求。

4 焊接應(yīng)力場分析

溫度場分析完成后，通過etchg，tts命令來實現(xiàn)熱結(jié)構(gòu)耦合，將溫度場分析中的瞬時溫度作為載荷施加到結(jié)構(gòu)分析中，通過lumpm，0命令使用與單元相關(guān)的質(zhì)量矩陣公式，nlgeom，on命令打開大應(yīng)變選項，nropt，full，，on 采用牛頓拉普森方法，與溫度場分析方法相同采用do循環(huán)語句，定義彈性模量、切變模量、線膨脹系數(shù)和泊松比等屬性得到焊接過程中瞬時變形量及應(yīng)力分布情況。

焊接30 s后應(yīng)力場分布如圖8所示，可以看出，焊縫方向最大瞬時應(yīng)力為0.236 MPa，垂直于工作平面方向最大瞬時應(yīng)力為0.561 MPa，焊縫向兩側(cè)分布方向應(yīng)力最大，達到1.21 MPa，產(chǎn)生形變。

5 結(jié)論

本文探討了焊接三維熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力模擬分析技術(shù)，基于ANSYS軟件，通過熱結(jié)構(gòu)耦合有限元分析方法對平板對接激光焊進行了有限元模擬，采用Do循環(huán)語句使體熱源沿焊縫方向移動。得到了焊接及冷卻過程的溫度場分布和應(yīng)力場分布，焊縫上的溫度能夠滿足熔覆需求，焊縫向兩側(cè)分布應(yīng)力最大，產(chǎn)生形變現(xiàn)象。

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