基于新型移动热源模型激光深熔焊过程的数值仿真

黄　程,张玉财,霍厚志（.山东山推机械有限公司,山东　济宁　7000;　.宁夏建筑材料研究院,银川　75000）

基于新型移动热源模型激光深熔焊过程的数值仿真

黄程1,张玉财2,霍厚志1
（1.山东山推机械有限公司,山东济宁272000;2.宁夏建筑材料研究院,银川750001）

摘要：建立了新型移动热源模型—圆锥高斯体热源模型，基于此热源模型对AISI316不锈钢平板对接时激光深熔焊的焊接过程进行了模拟。结果显示，试件上表面和焊缝纵切面的温度场分布与相关研究数据基本吻合。

关键词：圆锥体热源模型；移动热源；激光深熔焊；数值模拟；温度场

0　前言

在实际生产过程中为了方便焊接设计及工艺人员选定产品结构及焊接工艺参数，预测焊后焊件上的应力分布及焊接变形变得尤为重要。然而，引起焊后残余应力及变形的主要原因是焊接过程中工件受热不均匀（即导致不均匀的温度场）从而产生不均匀的应力分布，最终导致焊后残余应力及工件变形。所以要想准确预测焊接工件的残余应力及变形情况，必须先准确预测焊接过程的温度场分布情况。

然而由于激光的特殊物理性质使得激光深熔焊的能量分布极为集中，在焊接过程中，激光所作用区域能够迅速形成小孔，激光移开后小孔便迅速液化凝固。因此激光深熔焊的温度场分布非常小，而且温度梯度极大，并且此焊接过程中的温度场变化非常快，所以利用实验法测得激光深熔焊过程的温度场分布十分困难。计算机软硬件的不断发展，尤其是相关有限元分析软件的快速发展使得激光深熔焊小孔周围大梯度温度场的计算更为准确，所以应用有限元分析软件计算激光焊接过程中温度场及应力应变场的分布受到越来越多专家学者的重视。本文基于圆锥体移动热源模型[1]对激光深熔焊过程的温度场分布情况进行数值模拟。

1　新型移动热源模型

由于激光束能量密度高，同时激光束作用工件时能量分布基本遵守高斯分布，因此在激光焊接实际物理过程的基础上，本文复合圆锥体和高斯体函数再用解析计算法[2]计算出复合函数中决定模型底面半径和长度参数，给出了基于激光深熔焊的圆锥体热源模型，其数学表达式为：

其中是激光束功率的修正参数；Q为激光发生器的功率；r为激光束作用工件的有效半径；、、和为相关焊接速度与时间的函数，和为热源的平面坐标；v为焊接速度。

2　数值模拟

2.1材料选取及焊接参数选定

表1[3]

根据本论文推算出的热源模型，对AISI316不锈钢激光焊接过程的温度场变化进行有限元分析。表2.1所列的参数为AISI316不锈钢的相关热物理参数。本次模拟分析所选用试件的尺寸为2cm×2cm×0.3cm。选用激光器的最大功率为4KW，激光光斑有效半径为0.1mm，模拟焊接速度25mm/s，室温为25℃。

2.2边界条件

焊接过程中焊件与外部环境的温差极大，对流和辐射是高温焊件与外部环境进行热交换的两种主要方式。辐射的强弱与焊件温度的高低成线性关系，对流相对较小[4]。为了方便分析，本文将辐射、对流和焊件表面与外界的温差用一个总的换热系数联系起来，那么焊件与外界的热交换可以表示为：

其中是与焊接温度相关的一个函数，是焊件温度，为室温。

2.3移动热源作用下温度场分布的数值仿真

对激光深熔焊过程的温度场进行仿真。首先建立物理模型（为了节省时间降低计算量，只去焊缝的一侧建立模型），然后把表1中的参数赋予相应的材料，再采用过渡网格划分技术对所建的模型进行网格划分。

图1　激光深熔焊温度场分布演变的俯视图

图2　激光深熔焊温度场分布演变的侧视图

然后对所建热源模型施加边界条件及热源载荷，边界条件用对流载荷的方式加载到所建模型表面上，热源载荷则以生热率的方式加载。本次模拟热源在Y方向移动，故，,其中是热源起始点的Y坐标，为焊接速度。最后设置载荷步和时间步长进行计算。

图3　移动热源模型数值仿真的温度场分布云图

模拟的焊接温度场分布云图的演变过程如图1和图2中的а、b、c、d所示，其中а、b、c、d分别代表0.1s、0.3s、0.5s和0.7s的温度分布图。由图4可以看出，在移动热源的前进方向上分布较密的等温线，在移动热源的后方等温线分布密度较小离等温线越远分布密度越小，且等温线基本程椭圆形。b、c、d、图所显示的最高温度没有变化，说明焊缝形状基本稳定，此时温度场分布趋于平衡，已达到准稳态。

为了能够更好的反应焊接过程中试件上不同点温度和时间的变化曲线，本文在焊接方向上等距离选取了九个点如图3所示，每个点的温度时间曲线如图4所示，由图4可知在对应的4、5、6、7、8点的时间温度曲线的形状基本相同，说明焊接在第4个点附近就进入了准稳态，由于空气的热传导系数没有AISI316不锈钢的热传导因数高所以第9个点的最高温度比前5个点的最高温度略高，由此可知本论文的仿真结果与实际焊接过程的温度场分布基本一致。

3　结论

基于圆锥体热源模型仿真激光深熔焊焊接过程，得到的移动热源前进方向上的等温线分布较密，移动热源后方等温线分布相对较疏且呈椭球状，这与同一领域其他专家学者的研究结果相符。得到的熔池形状与实验抓拍的熔池形状基本相同。以前很少有人对激光焊接过程焊缝的演变过程进行模拟，本论文给出了在移动热源作用条件下，焊缝温度场的演变过程，仿真图片显示在焊接的中间过程焊缝的温度场形状不再发生变化，焊接进入准稳态阶段。这跟实际的焊接过程完全一致，由此可以说明本论文建立的圆锥体热源模型也适合基于移动热源的激光深熔焊的数值模拟。

图4　在焊接方向上选取点的温度时间曲线图

参考文献：

[1]霍厚志,王宏.激光深熔焊熔池形成过程的数值模拟[J].机械工程与自动化,2012,8(04):6-8.

[2]王煜,赵海燕,吴甦,张建强.高能束焊接双椭球热源模型参数的确定[J].焊接学报.2003,24(02):67-70.

[3]AndreaCapriccioli,PaoloFrosi.MultipurposeANSYS FEprocedureforweldingprocessessimulation[J].Fusion EngineeringandDesign,2009(84):546-553.

[4]韩国明,李建强,闫青亮.不锈钢激光焊温度场的建模与仿真[J].焊接学报,2006,3,27(03):105-108.

作者简介：黄程（1986-），男，山东潍坊人，工学学士，助理工程师。