激光焊接金刚石锯片温度场模拟分析

张巍 段梦珍

摘 要：根据金刚石锯片结构及激光焊接特点，本文建立了基于高斯面热源与体热源组合的面-体移动热源模型。同时，对不同厚度、不同材料的金刚石锯片进行了复合热源焊接温度场的模拟，并得出激光焊接参数对温度场的影响规律，通过对熔池截面的分析，初步优化焊接参数。

关键词：激光焊接;金刚石锯片;温度场

中图分类号：TG456文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）08-0137-04

Simulation Analysis of Temperature Field of Laser Welded Diamond Saw Blade

ZHANG Wei DUAN Mengzhen

（School of Information and Business， Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou Henan 450007）

Abstract： According to the structure of diamond saw blade and the characteristics of laser welding， a surface body moving heat source model based on the combination of Gaussian surface heat source and body heat source was established in this paper. At the same time， the temperature field of composite heat source welding was simulated for diamond saw blades of different thicknesses and different materials， and the influence of laser welding parameters on the temperature field was obtained， and the welding parameters were initially optimized by analyzing the cross section of the molten pool.

Keywords： laser welding;diamond saw blade;temperature field

隨着激光应用技术的迅速发展，激光焊接技术由于其热影响区小、焊接变形小及焊接深宽比高等特点应用越来越广泛[1-3]，特别是在金刚石工具的焊接中。金刚石工具一般由不同厚度、不同材料的基体与刀头焊接而成，焊接结合强度要求较高。激光焊接金刚石工具的结合强度有很高的提升，同时由于其热变形小，尺寸精度也大大提高。

本文利用ANSYS软件，以金刚石锯片激光焊接为研究对象，采用面热源与体热源的组合热源模型，对激光焊接过程中温度场进行有限元分析。其间分析了焊接功率、焊接速度和温度场的关系，根据焊缝熔池的变化，得出较好的焊接参数。

1 模型建立

1.1 金刚石锯片

金刚石锯片主要由刀头和基体两部分构成。金刚石锯片基体一般采用间断式周边基体，以便将切削时所产生的切削热及石粉及时排走。作为锯齿的主体及连接设备上的刚性部件，基体材料必须具有强度高、不易变形、耐冲蚀等特性。在激光焊接中，基体材料一般选用低碳钢制作，目前主要采用35CrMo、30CrMo、28CrMo等种类的低碳钢。

金刚石刀头由掺有金刚石颗粒的金属粉末烧结而成，由于金刚石在高温条件下的激光焊接中容易石墨化，因此，为了保证焊接质量，在刀头与基体连接处加入1.5～2 mm的过渡层。过渡层必须要保证焊接强度、焊缝

质量、合理烧结温度[4-5]。对于不同基体，过渡层配方也不相同。本文以350型号金刚石锯片为例进行模拟分析，350型号金刚石锯片结构如图1所示。

由以上分析可知，金刚石锯片具有以下特点：金刚石锯片刀头和基体属于异种材料;金刚石锯片刀头和基体厚度不相同;焊缝轨迹为曲线。

1.2 实体建模

金刚石锯片基体及刀头材料的参数设定如表1所示。

350型圆锯片由一个底座和24个切割头组成。一个切割头的焊接是一个焊接过程。由于激光焊接的热影响区较小，因此该仿真模型由一个切割头和与之焊接的部分底座组成。刀头厚度为3.2 mm，基体厚度为2.4 mm。

1.3 网格划分

由于主要进行温度场分析，因此选用SOLID70单元类型，采用映射网格划分。激光焊接过程热影响区较小，同时升温降温过程时间较短，温度梯度比较大，在模拟分析过程中，对焊缝区域的网格划分相对较细，远离焊缝区域网格可适当粗些。模型网格划分如图2所示，在焊缝区域，网格单元格为1 mm。

2 温度场计算分析

2.1 热源模型

350型号金刚石锯片的激光焊接属于深熔焊，热源模型选择使用面-体组合热源模型，即面热源和体热源叠加作用最终使焊缝成形。本次温度场模拟的面-热源模型为上表面呈高斯分布的热源，中间部分为一圆柱体热源。

两部分（移动面热源和移动体热源）的热源模型可分别表示为：

[qr=3QmπR2exp-3r2R2]        （1）

[qr，z=6QvπR2exp-3r2r1z2-3zh]      （2）

式中，[Q]为热源的总有效功率，[Q=Qm+Qv];[R]为热流作用有效半径;[h]为热流作用有效深度;[z]为当前能量作用深度;[r1z]为体热源半径衰减函数，[r1z=h+zh]。

2.2 边界条件

由于边界温度与外界温度的差异，焊接件与周围介质之间的传热包括对流换热和辐射换热。辐射换热的计算方法不同于对流换热的计算方法。为了便于计算，将两种传热方式结合起来考虑。总传热系数可以表示为：

[q0=βc+βeT-T0]      （3）

式中，[T]为焊件表面温度;[T0]为周围介质温度;[βc]为对流换热系数;[βe]为辐射换热系数。

环境初始温度设定为20℃，激光热源区域采用总传热系数加载，其他表面采用对流传热系数加载[6-8]。

2.3 加载及求解

本研究采用APDL实现了移动热源加载循环，通过焊接轨迹确定热源的位置和尺寸。在模拟过程中，随着时间的推移，热源的位置会移动到下一个加载步骤，然后删除上一个加载步骤中的热源，即利用过载加载步骤的循环来完成移动热源的加载，从而实现焊接模拟。

3 模拟结果及分析

3.1 温度场分布特征

当激光功率[P]=1 400 W，焊接速度[V]=1.2 m/min时，温度场随时间变化的分布如图3所示。

焊接过程中，热源周围温度梯度大，温度场不均匀，等温线呈圆形，随热源沿焊缝移动，同时温度场一同移动。当刀头与基体上光斑分不相同且在对接中心线上，同时所加载的热流密度也相同时，刀头和基体上的温度场并不对称，基体上的温度场范围更小。

图4为基体截面上，熔池截面的温度场分布，呈酒杯状。由熔池形状效果可以看出，体-面热源模型适合分析金刚石锯片激光焊接温度场的模拟。本次模拟主要分析温度场的变化规律，故在分析过程中忽略了熔池金属的流动。

图5为焊缝中心线上5点的上表面热循环曲线。在整个焊接过程中，热源经过时焊缝中心各点的温度变化，升温和冷却速度非常快，峰值温度很高，各点峰值温度都远远高于焊件熔点。由于热量饱和积累，后经过的点的温度峰值略高于前面点的峰值。同时，焊缝中心各点温度梯度很大，只需要0.2 s左右时间即可到峰值温度。

3.2 焊接工艺参数对温度场的影响分析

3.2.1 激光功率对温度场的影响。图7为焊接速度相同时，一点在不同激光功率下的温度循环曲线。选取焊接速度[v]=1.2 m/min，激光功率分别为1 400、1 600、1 800 W。

由图6可看出，当焊接速度相同时，在相同时刻，同一点温度随着激光功率的增大而变高，达到的峰值温度也越高。但过高的激光功率同时也会产生更强的等离子体和激光辐射，对焊接过程的影响也会变大。

3.2.2 焊接速度对温度场的影响。图8为激光功率相同时，在同一点上不同焊接速度下的温度循环曲线。选取的激光功率[P]=1 400 W，焊接速度分别为1.2、1.5、1.8 m/min。

由图7可以看出，在激光功率保持不变的情况下，同一点输入的线能量随焊接速度越快而越低，温度场的范围越小，所达到的峰值温度变低;同一点达到峰值温度所需时间越短，升温、降温过程越快。

3.3 熔池截面温度场分布

由图5可看出，当基体激光功率[P]=1 400 W，焊接速度[v]=1.2 m/min时，熔池形状较好，但基体下表面温度较低，低于材料熔点（1 550 ℃左右），不能焊透整个工件。根据上文分析可知，保持激光功率不变，可通过降低焊接速度来提高焊接温度。

图8为激光功率[P]=1 400 W不变，将焊接速度降低至[t]=0.9 m/min，此时基体下表面温度超过材料熔点，熔池截面仍为酒杯状，所形成的熔池较好。

图9为焊接功率[P]=1 400 W，焊接速度继续降低至[t]=0.6 m/min时，基体下表面温度远远高于焊件的熔点，从熔池的温度分布可以看出，达到熔点温度的熔池形状上下宽度接近相同，熔池形状较差，容易造成焊缝表面塌陷或贯穿整个锯片。

同理，可分析得出激光功率[P]=1 600 W、[P]=1 800 W时，焊接速度分别在[t]=1.5 m/min和[t]=1.8 m/min时形成的熔池较好。

4 结论

由于金刚石锯片激光焊接温度场模拟过程中，温度场不对称，刀头部分温度场范围较大，峰值温度较高。其他条件不变，激光功率越大，同一点峰值温度越高，温度场中高温区范围越大;焊接速度越高，同一点峰值温度越低，温度场高温区范围越小，升降过程更快。通过温度场模拟分析，根据熔池形状效果，可初步优化激光焊接参数。

参考文献：

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