不锈钢激光焊接温度场的有限元分析

张赫吉

【摘 要】用实验的方法来测量激光焊接过程中的温度场的分布情况是十分困难的。在实际焊接中，往往都是通过工作人员的经验来选取激光参数以及工艺参数的。随着计算机技术的发展，可以通过计算机模拟技术对激光焊接过程进行数值模拟。本文通过使用ANSYS有限元模拟分析软件，对激光平板焊过中的温度场分布进行了模拟分析。

【关键词】激光焊接 数值模拟 温度场

随着现代科技的高速发展，激光器已经成为一种安全可靠的生产工具被应用于各个行业，激光焊接作为激光加工的一项重要组成部得到了充分的开发。伴随着大功率激光器的问世，在一些行业里，激光焊接已经得到了广泛的应用。在激光平板焊过程中，熔池附近温度场的分布状况是影响焊接接头质量的主要因素。但由于强激光与物质相互作用时产生的熔池尺寸非常小，而且熔池温度非常的高，所以不能直接对其进行测量，而且激光移动的速度很快，因此激光焊接过程中形成的熔池温度场很难用实验的方法去精准测量。

1焊接温度场的基本理论

焊接三维温度场控制方程如下所示：

在这个公式中： 代表的是区域V中的热源的强度；T代表的是温度场的分布函数； 代表的是导热系数； 和c代表的是材料的密度以及材料的比热。

2激光焊接数值仿真过程

2.1定义单元类型

ANSYS有限元分析软件可以提供使用者上百种不同的单元类型，在研究热问题方向时就有几十种不同的单元类型可供选择，本篇论文中需要研究的是三维热传导问题，ANSYS有限元分析软件提供的这些单位类型中只有三种单元类型能用来研究三维热传导问题，这三种单元类型分别为SOLID70、SOLID87以及 SOLID90。在本文中选用的单元类型为SOLID70。

2.2激光焊接板材的属性

在本文中我们所选取的激光焊接板材的种类为316不锈钢，316不锈钢为奥氏体不锈钢的一种，因为它具有高耐腐蚀性这一特性，已经被广泛的应用于各个领域。

2.3建模及划分网格

这里我们使用APDL语言形式进行建模，使用APDL语言形式更能体现有限元的思想，同时可以显著提高加建模的效率以及修改模型时的效率。节约了建立模型所用的时间，降低了有限元解析的成本。

2.4施加边界条件

2.4.1施加温度边界条件

在未焊接前板材上的温度是和室温相等的，所以选取板材的初始温度为25℃。

在这个公式中： 代表的是与板材属性相关的一个函数， 代表的是焊接过程中板材上的温度， 代表的是初始温度。

2.4.2施加热源载荷

在本文中针对激光平板焊的数值模拟需施加圆锥高斯体移动热源模型，在函数编辑器中输入下面这个公式：

在这个公式中：v代表的是焊接速度；t代表的是焊接时间。将这个公式输入到函数编辑器中在读取出来对应的函数，给变量相对应的值，以热生成率的方式加载到各个单元的节点上。

2.5求解和输出控制

激光焊接的数值模拟分析属于分线性瞬态分析，在进入求解器后可以直接选定选分类型为瞬态分析。然后在控制窗口中打开对应的选项，就可以进行求解了。

3激光平板焊过程中温度场的数值模拟

本文使用移动圆锥高斯体热源加载到板材上的方式，模拟了激光平板焊过程中温度场的分布情况，本文选用的不锈钢板材的尺寸为60×60×6（单位为mm），选取的参数为激光功率1500W，焊接速度0.01m/s，光斑直径6mm。

焊接过程中热源前面的等温线的密度比后方的等温线密度密集，温度梯度比较大；热源后面的等温线分布比较疏，温度梯度比较小，等温线的形状是展现出不规则的椭圆形分布在热源移动的轴向上。激光焊接进行到1s-5s时，不锈钢板材表面上的温度场已经进入了准稳态，焊接过程中所形成的熔池的相貌也并没有发生变化。

4结语

本文中应用ANSYS有限元模拟分析软件模拟了激光焊接不锈钢温度场的分布。这个为研究激光焊接过程提供了参考依据，为实际的激光焊接生产具有指导意义。

参考文献：

[1]胡增荣，周建忠，郭华锋，杜建钧.应用ABAQUS模拟激光焊接温度场[J].激光技术. 2007，6，31（3）：326-329.

[2] Andrea Capriccioli， Paolo Frosi. Multipurpose ANSYS FE procedure for welding processes simulation[J].Fusion Engineering and Design.2009（84）：546-553.