激光焊接温度场模拟分析及熔池深度的计算

作者:欧阳智勇;卢国杰;郭亮;张庆茂 刊名:应用激光 上传者:张恩光

【摘要】为系统地分析激光焊接温度场的分布与焊接熔池参数之间的关系,以TC4钛合金激光焊接为研究对象,利用ANSYS软件建立有限元模型,通过模拟计算获得温度场分布云图、热循环曲线。利用计算获得的温度场分和云刚、热循环曲线预测激光焊接熔池的形状及停留的时间,建立激光焊接温度与熔池深度的关系。研究结果表明,模拟计算结果与实验数据非常吻合,证明理论分析的可行性;温度与熔池深度成正比关系,在一定范同内,温度越高,相应的熔池深度越大,计算结果显示,焊件表面最高温约为250℃,对应的最大熔池深度约为1.7mm。

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0引言激光焊接温度场的分布和变化对于焊件表面质量及内部组织形态等有着非常重要的影响。此外,在激光焊接过程中,熔池是一个核心区域,它的形状、尺寸和温度场有直接的关系,其中熔池深度是影响焊缝质量的重要因素之一。因此,研究温度场的分布,计算焊接熔池的深度以及熔池保留的时间,对研究激光焊接的物理冶金过程及质量的控制具有重要意义[1]。国内外学者对激光焊接温度场进行了系统的研究,获得了长足的进展。Shanmugam等[2]通过建立三维圆锥体高斯热源模型,对激光焊接304不锈钢薄板温度场进行了模拟计算,并预测了熔池的熔宽和熔深,模拟计算结果与试验结果比较吻合;卢艳等[3]利用一种点热源和高斯热源相叠加的组合热源模型,建立了3A21铝合金薄板激光焊接温度场的计算模型,模拟计算结果与试验结果基本符合;姜泽东等[4]使用ANSYS软件对激光焊接不锈钢薄板的热过程进行了三维数值动态模拟,分析了焊接工艺参数对熔池形状的影响规律,其中焊接速度对熔深、熔宽具有显著的影响。目前,该领域研究仍存在以下问题:一方面需要改进热源模型,适应不同的激光焊接形式,提高模拟结果的精度。另一方面,目前研究主要侧重于熔池形状本身的模拟预测,缺乏温度场变化对熔池深度、形状影响的相关研究。而温度场的分布与变化直接影响熔池的形状、尺寸及停留的时间。因此,需要建立激光焊接温度与熔池深度的关系。本文利用有限元分析软件ANSYS,以TC4钛合金平板激光焊接为研究对象,采用高斯热源模型,自行编程对激光焊接温度场进行了三维有限元分析计算,期望获得激光焊接过程中的温度场分布和变化规律。将计算结果与国外文献报道的实验数据进行对比,在温度场的数值模拟基础上,建立激光熔池深度与温度的关系,并计算激光焊接熔池的深度。1温度场模拟分析1.1理论计算为简化研究问题,研究激光焊接主要以热传导为主,适当考虑辐射和对流的作用。激光焊接是快速加热、快速冷却的过程。随着热源的移动,整个焊件的温度随时间和空间急剧变化,材料的热物理性能也随温度剧烈变化,同时还存在熔化和相变时的潜热现象。因此,激光焊接温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问题。非线性瞬态热传导方程为cρTt=x(λTx)+y(λTy)+z(λTz)+6)Q(1)式中,C为材料比热容;ρ为材料密度;λ为导热系数;T为温度场分布函数;6)Q为内热源;τ为传热时间。λ、ρ、c随温度变化而变化。设定初始条件为T=T0(T0=20℃)(2)边界条件如下:(1)已知边界上热源作用的高斯热流分布;(2)已知物体与周围介质间的对流换热边界条件为-λTn=α(T-T0)(3)式中,n为边界表面外法线方向,α为表面总换热系数。根据能量守恒原理,瞬态热传导可以用矩阵形式表示为[5][C]{6)T}+[K]{T}={Q}(4)式中,[K]为传导矩阵,包含热系数、对流系数及辐射和形状系数;[C]为比热矩阵,考虑系统内能的增加;{Τ}为节点温度向量;{6)T}为温度对时间的导数;{Q}为节点热流率向量,包括热生成。因为焊接过程中材料性能随温度变化,边界条件随温度变化,含有非线性单元,考虑辐射传热等原因会导致瞬态传热方程具有非线性,所以非线性热分析的热平衡方程为[5][C(T)]{6)T}+[K(T)]{T}={Q(T)}(5)1.2有限元模拟过程选择ANSYS软件中的热分析单元SOLID70进行温度场计算。该单元是一个六面体8节点单元,每个节点只有一个温度自由度,可模拟X/Y/Z三个方向的热传导。激光焊接过程中,焊件温度变化十分剧烈,如果不考虑材料的物理性能参数随时

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