D500钢激光焊接数值模拟

许新猴，李先芬，赵小强，周 伟,2

(1.合肥工业大学 材料科学与工程学院，合肥 230009；2.新加坡南洋理工大学 机械与宇航工程学院，新加坡639798）

D500钢激光焊接数值模拟

许新猴1，李先芬1，赵小强1，周 伟1,2

(1.合肥工业大学 材料科学与工程学院，合肥 230009；2.新加坡南洋理工大学 机械与宇航工程学院，新加坡639798）

基于ANSYS有限元分析软件，以5 mm厚D500钢为研究对象，采用均匀分布的柱体热源与椭球热源组合的方法，建立激光焊接热源模型，对D500钢激光焊接温度场及应力场进行模拟计算，并与试验所得焊缝形状及焊后残余应力进行比较分析。结果表明，数值模拟结果与试验结果比较吻合，证明该热源模型具有一定的适用性。

D500钢；热源模型；激光焊；温度场；应力场；数值模拟

激光深熔焊接过程包含着一系列复杂的物理和化学变化，表现出复杂、快速且受多个参数影响的特点[1-3]。焊接温度场的变化反映了焊接过程中的热变化，其对焊接质量有着至关重要的影响。随着人们对激光焊接工艺的不断认识，研究焊接的方法也变得多种多样。焊接过程的数值模拟一直都被认为是一种前沿且能够快速重现整个过程的方法，也是近几年研究的重点。尽管前人对激光焊接过程已经有了一些研究，但是在对激光深熔焊接过程的数值模拟仍存在一定的局限。随着社会的进步及科学技术的发展，人们越来越重视焊接质量和焊接生产效率。有限元技术和焊接技术的飞速发展，为数值模拟技术提供了有力的工具，焊接温度场的研究和残余应力的分布情况可以采用数值模拟方法进行分析，这样就可以省去大量的试验，从而可以大大节省人力、物力和时间，具有很大的经济效益[4-5]。D500钢作为一种低合金钢，具有高强度、高韧性的特点，被广泛应用于船舶工业、桥梁钢构、航空航天等领域。低合金钢在世界范围内需求的不断提高使得其在焊接结构件上的应用越来越普遍，焊接质量和焊接效率要求也越来越高。目前，针对D500钢激光焊接数值模拟研究较少，因此，D500钢焊接过程残余应力及变形的模拟研究对实际生产具有一定的指导意义。

1 激光焊接模型

1.1 激光焊接试验

试验选用厚度为5 mm的D500低碳调质钢平板，采用波长为1.06的光纤激光焊机，通过逐步改变激光输出功率和离焦量，从而使试板均匀焊透，并获得良好外观焊缝。选最优焊接参数为焊接工艺参数：激光输出功率3 kW，光斑直径0.6 mm，离焦量1 mm，焊接速度15 mm/s。

1.2 激光焊接热源模型

要对激光焊进行数值模拟，首先要合理描述激光焊热输入分布模式，在考虑激光焊接工艺热输入分布特点的情况下，建立适用于激光焊接的热源模型。本研究采用的组合热源模型为椭球热源+柱体热源。各热源模型公式[6-8]如下：

（1）椭球热源模型函数公式

式中：Q—热输入功率；

a，b，c—分别为椭球的半轴长。

（2）柱体热源模型函数表达式

式中：r0—热源径向分布参数；

H—热源高度；

r—焊件任意点至电弧加热中心的距离；

h—热源任意界面高度；

m—热源上下表面热流峰值调节系数。

1.3 材料物理性能参数

材料的热物理性能对激光焊的温度场分布及焊缝成形有着非常重要的影响，其物理性能参数直接影响温度场和应力场的形态和大小[9]。在对D500钢激光焊温度场的模拟分析时必须确定以下热物理性能参数:焊件的初始温度、焊件的熔点、材料的密度、导热系数、对流换热系数和比热容。除了材料熔点、工件初始温度（20℃）和材料密度是常数外，材料的其他属性参数都是温度的函数。D500钢物理性能参数[10]见表1和表2。

表1 D500钢温度场分析热物理性能参数

表2 D500钢应力场分析热物理性能参数

1.4 有限元模型的建立

在焊接温度场模拟过程中，由于焊缝及热影响区温度很高，温度梯度很大，故这些区域网格划分相对于母材区域要精细。本研究所描述的模拟过程中，焊缝区采用的网格单元尺寸为0.2 mm×1 mm×1 mm，母材区采用较粗网格，网格单元尺寸为2 mm×1 mm×1 mm。网格划分如图1所示。

图1 有限元网格划分

1.5 初始条件与边界条件

将焊接试样的初始温度设置为环境温度，即室温20°C。焊接过程中，焊件与外界同时存在着对流和辐射，由于焊接过程的对流和辐射过程非常复杂，因此，为了简化整个计算过程，采用一个总传热系数， 即为20 W/（m2·K）。边界条件即在模型的yz面及z方向工件底部施加边界条件，如图2所示。

图2 施加边界条件

2 结果及分析

2.1 温度场模拟结果分析

图3所示为t=6 s时的焊接温度场分布云图。由图3可知，在焊接过程中的整个温度场变化情况都是经历了一个从非稳态到准稳态再到非稳态的过程。在准稳态时，等温线的形状基本是一样的，只是随着热源的移动而移动，热源上表面近似为圆形，这与激光落在工件上的光斑呈圆形是相符合的。

图3 t=6s时的焊接温度场分布云图

图4所示为纵截面方向在4 s时刻的热循环曲线。由图4可以看出，焊接时试板经历了一个缓慢升温和快速降温的过程，且最高温度已经远远高于材料的熔点。因此，实际焊接时在中心部位不可避免地要发生一定的变化，由于温度梯度大，引起材料的热膨胀系数不同，容易在焊缝周围产生过大的应力应变，从而容易产生缺陷。

图4 纵截面方向在4 s时刻的热循环曲线

2.2 焊缝模拟结果与试验结果的比较

图5为有限元模拟的焊接熔池边界与实际焊缝熔合线的比较。从图5可以看出，模拟的焊接熔池边界处的温度达到D500钢熔化温度1 500℃以上，且其钉头状焊缝形貌与焊缝熔合线基本吻合，实际焊缝尺寸与有限元模拟尺寸见表3，且尺寸误差均在范围内。

图5 模拟焊缝形状与试验焊缝形状对比

表3 实际焊缝尺寸与有限元模拟尺寸

2.3 应力场分析结果及与试验结果对比

图6所示为t=6 s时的等效应力分布云图。由图6可以看出，等效应力主要分布在焊缝及热影响区，等效应力的峰值则出现在熔合线附近，这是因为焊接过程的热量很大一部分集中作用于熔合区，造成了焊件温度急剧升高而膨胀并产生应力。并且随着热源的不断移动，等效应力的峰值也会随之移动。

图6 t=6s时的等效应力分布云图

图7所示为试验结果与模拟结果的残余应力对比。采用X射线法测得D500钢残余应力分布曲线如图7（b）和图7（d）所示。由图7可以看出，焊缝处数值模拟出的焊接残余应力基本上与试验测量的结果相对应，曲线变化趋势基本一致。从图7（a）和7（b）中可以看出， 各路径横向应力分布情况基本相同，焊缝中心承受压应力，压应力最大值为305.2 MPa，远离焊缝中心的地方压应力逐渐减小，在距离焊缝中心位置约17.5 mm处横向应力为拉应力，并呈对称分布。从图7（c）和7（d）可以看出，纵向应力整体为拉应力，从起焊位置至10 mm处拉应力逐渐增大，拉应力最大值为254.6 MPa，焊缝中段出现了一个稳定区，板边处应力为0。这是因为板的端面是自由边界，端面之外没有材料，其内应力值自然为0。然后拉应力又逐渐减小至最小值，并呈对称分布。比较分析可知，模拟的应力曲线分布与试验测得应力分布曲线形状相近，但数值偏小。这可能是由于热物理参数选择不当、载荷步设置不合理等原因引起的。

图7 模拟的残余应力分布和试验应力对比

3 结 论

（1）采用椭球-柱体组合式热源模型，可以对5 mm厚的D500钢激光焊的温度场进行准确模拟，模拟所得焊缝形状和实际焊缝截面形状比较接近。

（2）通过模拟计算可以看出，沿焊缝方向的纵向残余应力从起焊端逐渐上升，在中部附近达最大值之后经过稳定区后逐渐下降，并且表现为拉应力；横向残余应力中间为压应力，两端为拉应力。

（3）由试验结果与模拟结果对比分析可知，数值模拟结果与测量的焊接残余应力分布规律曲线形状基本一致，但数值有差距。

［1］崔旭明，李刘合，张彦华.激光-电弧复合热源焊接[J].焊接技术,2003，32(02):19-21.

［2］田川，吕高尚，闻义.激光电弧复合焊接—一种新型悍接方法[J].机车车辆工艺，2005，4(02)：5-10.

［3］张旭东，陈武柱，双元卿，等.C02激光-MIG同轴复合焊方法及铝合金焊接的研究[J].应用激光，2005（02）： l-3.

［4］吴圣川，刘建华.铝合金激光-电弧复合焊的有限元数值[J].模拟航空制造技术，2005（12）：74-76.

［5］卢振洋，刘建，黄鹏飞，等.基于ANSYS薄板GTAW焊接温度场数值模拟[J].微计算机信息，2007，23（21）：291-292.

［6］武传松.焊接热过程与熔池形状[M].北京：机械工业出版社，2007：206-207.

［7］ LEE W B， YEON Y M， JUNG S B.The improvement of mechanical properties of Frictionstir welded A356 Alalloy[J].Materials Science and Engieering，2003(355):154-159.

［8］张春平.基于ANSYS的异种钢焊接残余应力的数值模拟[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2003，26(03)：460-463.

［9］李冬林.基于ANSYS软件焊接温度场应力场模拟研究[J].湖北工业大学学报，2005，5(20)：81-83.

［10］ GHOSH M,KUMAR K,KAILAS S V,et al.Optimization of friction stir welding parameters for dissimilar aluminum alloys[J].Materials and Design,2010(31):3033-3037.

Numerical Simulation of D500 Steel Laser Welding

XU Xinhou1,LI Xianfen1,ZHAO Xiaoqiang1,ZHOU Wei1,2
(1.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.School of Mechanical and Aerospace Engineering,Nanyang Technological University,Singapore,Singapore 639798,Singapore)

Based on ANSYS finite element analysis software,with 5 mm thickness D500 steel as the research object,it adopted equally distributed cylinder heat source and ellipsoid-cylinder hybrid heat source to build source model of laser welding.For D500 steel laser welding temperature field and stress field simulation calculation were conducted,and compared the calculation result with weld shape obtained from test and residual stress after welding.The results indicated that the numerical simulation result is consistent with the test results;showed that the heat source model has certain applicability.

D500 steel;heat source model;laser welding;temperature field;stress field;numerical simulation

TG456.7

A

1001－3938（2015）06-0016-04

许新猴（1990—），硕士研究生，研究方向为激光电弧复合焊接技术。

2015-03-03

黄蔚莉