鍍鋅鋼板卷對接頭激光釬焊過程溫度場模擬的實驗驗證

李紹偉，王付鑫

（1.材料工程學院，上海工程技術(shù)大學，上海 201620；2.上海市先進激光制造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201620）

由于激光釬焊工序復(fù)雜，系統(tǒng)的實驗研究比較耗時。而且限于激光加熱的局部性，對于測量界面層和熔池附近的溫度變化以及應(yīng)力分布幾乎無法實現(xiàn)。因此在激光加工過程中，通常采用數(shù)值模擬來獲得溫度場或者預(yù)測焊縫形貌[1]。針對激光焊接熱分析，Swift-Hook等人[2]提出了一種認為激光束能量沿焊縫厚度方向均勻分布的線熱源模型，該模型能很好地模擬出金屬薄板在激光焊接過程中的完全穿透問題。為了改進該模型，Steen和Dowden等人[3]又提出了一種點線熱源模型，并且Mazumder和Steen等人[4]考慮了激光束能量在厚度方向的衰減問題。目前，關(guān)于焊接溫度場的數(shù)值模擬和實驗研究主要集中于傳統(tǒng)的電弧焊接和部分激光焊接工藝，對于卷對接頭的激光釬焊工藝和數(shù)值模擬鮮有研究。

本文通過有限元分析法對激光釬焊溫度場進行了數(shù)值模擬，并通過數(shù)據(jù)采集卡搭建測溫平臺對溫度場模型進行了驗證。

1 卷對接頭激光釬焊溫度場建模

1.1 實體建模及網(wǎng)格劃分

卷對接頭模型建立為釬縫區(qū)、過渡區(qū)、遠離焊縫區(qū)。模型尺寸設(shè)置為板厚0.8mm，水平翻邊為20mm，垂直翻邊為10mm，焊縫長度40mm，如圖1所示。單元類型選用三維六面體熱實體單元solid70，采用非均勻網(wǎng)格劃分。在釬縫區(qū)和過渡區(qū)，溫度梯度較高，為保證計算精度，網(wǎng)格劃分細密。遠離焊縫區(qū)網(wǎng)格粗糙劃分。

圖1 卷對接頭激光釬焊網(wǎng)格劃分

1.2 熱源模型和邊界條件

建模時需作如下假設(shè)：①假設(shè)室溫為20℃；②不考慮釬料的潤濕鋪展流動并且材料連續(xù)和各向同性；③假設(shè)入射激光的輸入不受氣體物質(zhì)的影響；④假設(shè)光束橫截面能量分布為高斯分布[6]。

1.3 材料熱物理屬性參數(shù)

母材鍍鋅鋼板和釬料CuSi3不隨溫度變化的物理屬性值[7]如表1所示。

2 溫度場模擬結(jié)果及分析

本文對不同激光釬焊工藝參數(shù)下的溫度場進行了數(shù)值計算。以離焦量30mm，焊接速度0.96m/min，激光功率1600W的釬焊參數(shù)為例，說明激光釬焊溫度分布特點。在激光釬焊過程中，不斷熔化的釬料被填入釬縫間隙，隨著時間的推移，釬縫成形逐漸完整。

由于卷對接頭的加熱情況受到釬料填充過程引起的較大影響，因此在計算過程中，通過單元激活技術(shù)來模擬釬料的填縫過程[8,9]。隨著激光束的運動，釬縫逐漸形成，在激光掃描過的區(qū)域，單元被依次激活，從而模擬釬料的填縫過程。從圖2中可見，隨著時間的推移，峰值溫度逐漸升高最終達到1243.74℃不變。熱源前方，溫度梯度較大，而熱源后方，靠近熱源區(qū)域，等溫線較為接近圓形，遠離熱源區(qū)域，等溫線趨于橢圓，在釬縫區(qū)后拖逐漸拉大。

表1 鍍鋅鋼板和CuSi3的材料屬性

圖2 釬焊過程不同時刻的溫度分布圖

4 溫度場有限元模型驗證

圖3 實驗所測溫度與模擬結(jié)果對比圖：(a)A點(b)B點(c)C點

為了驗證溫度場模擬結(jié)果的準確性，本文進行了溫度場的同步測量實驗。由于焊縫中心區(qū)域的溫度是難以測量的，本實驗選取距離焊縫中心一定距離的A,B,C三點來測量，分別繪制熱循環(huán)曲線并與溫度場模擬所得熱循環(huán)曲線對比，如圖3所示。由圖可以看出，實驗同步測量的A,B,C三點的升溫速度和峰值溫度與模擬結(jié)果均比較吻合。但與冷卻過程有一定差距，主要原因是模擬過程簡化了激光加熱過程，忽略保護氣體流動對焊縫的冷卻影響以及熔池內(nèi)部流動帶來的熱量傳遞作用。

5 結(jié)論

（1）采用高斯雙橢球復(fù)合熱源模型對激光釬焊過程溫度場進行了數(shù)值模擬，得到了卷對接頭的溫度場分布云圖，結(jié)果表明峰值溫度未達到母材熔點，焊縫區(qū)溫度達到釬料熔點使其熔化。

（2）通過數(shù)據(jù)采集卡和熱電偶進行了溫度采集實驗，基于Labview軟件搭建了溫度場熱循環(huán)曲線測量系統(tǒng)，測出并繪制了焊縫附近不同位置的熱循環(huán)曲線，實驗結(jié)果與模擬結(jié)果一致，驗證了溫度場模擬結(jié)果的準確性。