激光加工數值模擬技術研究現狀激光加工數值模擬技術研究現狀

激光焊接數值模擬技術研究現狀

摘要：介紹了激光焊接數值模擬技術在激光焊接溫度場分析、激光焊接應力應變分析、激光焊接熔池流動場分析、激光焊接接頭微觀組織分析方面的研究現狀, 并對激光焊接數值模擬技術在這幾方面的模擬方法、原理及模型的建立進行了較為詳細的介紹。 最后, 對我國焊接數值模擬技術的發展進行了展望。

關鍵詞：激光焊接 數值模擬 溫度場 應力應變 熔池模擬 接頭

1.引言

激光焊接是利用高能量的激光光束作為熱源照射到材料表面從而使材料汽化、熔化并冷卻結晶形成焊縫的一種先進焊接方法。由于具有高能量密度，高效率，高精度，柔性好等優點，激光焊接受到了廣泛的重視，并且已經應用到了航天航空，汽車制造等材料加工的領域。

隨著激光焊接應用的增加，人們對激光焊接過程的研究也更加重視。在計算機仿真技術應用于焊接學科之前，人們為了某些材料制定合適的激光焊接工藝，往往需要進行大量的實驗，耗費大量的物力人力財力。因此，建立激光焊接的數學模型并對激光焊接進行全過程的模擬仿真，對于預測焊接結果，實現激光焊接工藝參數預選和優化，減少工藝試驗次數，甚至控制激光焊接過程，防止出現焊接缺陷都具有十分重要的意義。

2.焊接數值模擬發展歷史

焊接過程的數值模擬研究由來已久。70年代，有限元法逐漸在焊接溫度場分析計算中使用。1975年，加拿大的Poley和Hibbert提出利用有限元法研究焊接溫度場，并編制了簡單的溫度場計算程序。1976年，Krutz在博士論文中專門研究了利用焊接溫度場預測接頭強度的問題。隨著80年代末90年代初，熱彈塑性計算理論的逐步完善，焊接應力應變的數值模擬也逐漸發展起來并日益成熟。同時，計算機技術的發展也為焊接數值模擬提供了更有力的支持，使人們能夠進一步對激光焊接的接頭組織，熔池流動等進行更深入的數值模擬研究。

3.激光焊接溫度場數值模擬

焊接過程中會產生溫度場, 對其數值模擬的研究已廣泛應用到焊接領域。焊接構件時會出現很多情況, 例如裂紋、凝固等。對不均勻溫度場的數值模擬, 可以更好地研究其產生的原因及對其他性能的影響。

3.1 數學模型的建立

焊接時，焊件各點的溫度會隨著熱源的移動和時間的變化而變化。焊件上個點在瞬時的溫度分布稱為焊接溫度場。焊接過程屬于動態熱傳導過程，因此對于該過程的研究，重點是對焊縫處材料溫度變化的規律，所以可以只考慮熱傳導而忽略對流等特殊狀況對溫度場進行計算。作為三維熱傳導問題，其控制方程為：

(2-1)

對于上述方程，通過給定溫度場的邊界條件，利用有限元法對結構進行離散，建立有限元模型，求得有限元方程，然后進行求解。

對于瞬態熱傳導問題，在能量守恒理論的基礎上，瞬態的有限元求解方程可以表示為：

(2-2)

這是一組以時間t為獨立變量的線性常微分方程組，通過引入初值，對其求解可以得到相應的溫度場計算結果。

3.2 熱源模型的選取

早期研究中，激光焊接的熱源模型主要是“線”“點+線”“點+線+面”。近年來，體熱源模型被深入研究，人們提出了諸多有效的激光焊接溫度場的熱源模型，如橢球模型，雙橢球模型，高斯體熱源模型，旋轉高斯體熱源模型，等等。通過實際的溫度場計算，和實驗結果進行對比，旋轉高斯體熱源模型更加適合激光焊接溫度場的計算。

圖1 旋轉高斯體熱源

旋轉高斯體熱源能夠模擬出激光焊接中典型的“釘頭”和“深熔”現象，與實際的焊縫截面具有很好的一致性，能彌補雙橢球類熱源模擬的缺點。

3.3 溫度場計算的結果的影響因素

不同的潛熱處理方式對溫度場的影響很大。與假定潛熱在固液相線間以恒定速率釋放的計算結果相比, 實測方法計算出的熔池尺寸相對較窄,但對低溫處的溫度影響不大。熔池內的對流傳熱加快了傳熱速度, 因此對焊接溫度場也有很大的影響。當考慮了熔池內的對流傳熱影響時, 計算出的熔池尺寸及其附近溫度場等溫線比不考慮時也變寬了, 而對遠離熔池的溫度場影響不大。如果只是焊接線能量相同, 焊接參數改變時,等溫線的形狀和尺寸也會發生很大變化。大電流快速焊情況下焊接熔池及溫度場變得很狹窄, 反之會很寬。

4.激光焊接應力應變數值模擬

由焊接過程產生的動態熱應力，應變及其隨后形成的殘余應力和變形，是導致焊接裂紋和接頭強度性能下降的重要因素。激光焊接應力-應變的數值模擬分析,可以計算出焊接過后的殘余變形和殘余應力，從而為激光焊接接頭的性能分析提供了可靠的依據，為結構件的焊接質量分析提供了有效的分析手段。

4.1 理論的發展

20世紀70年代以來,上田幸雄等人提出了考慮材料力學性能與溫度有關的2維和3維焊接熱彈塑性有限單元法，并發展成為一門新的學科“計算焊接力學”。他們對多道焊、角焊和圓周型壓力容器焊接的殘余應力和變形進行了3維熱彈塑性有限元分析，并得出了滿意的結論。此后，他

總結

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