許新猴，趙小強(qiáng)，翟文剛，康澤軍，李先芬，周偉，2

（1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥230009;2.新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與宇航工程學(xué)院，新加坡 639798）

激光深熔焊接過(guò)程包含著一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，表現(xiàn)出復(fù)雜、快速且受多參數(shù)影響的特點(diǎn)［1—4］。焊接溫度場(chǎng)的變化反映了焊接過(guò)程中的熱變化，其對(duì)焊接質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。隨著人們對(duì)激光焊接工藝的不斷認(rèn)識(shí)，研究焊接的方法也變得多種多樣。焊接過(guò)程的數(shù)值模擬一直都被認(rèn)為是一種前沿且能夠快速重現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的方法，也是近幾年研究的重點(diǎn)。盡管前人對(duì)激光焊接過(guò)程已經(jīng)有了一些研究，但是在對(duì)激光深熔焊接過(guò)程的數(shù)值模擬仍存在一定的局限。隨著社會(huì)的進(jìn)步、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視焊接質(zhì)量和焊接生產(chǎn)效率。有限元技術(shù)和焊接技術(shù)的飛速發(fā)展，為數(shù)值模擬技術(shù)提供了有力的工具，焊接溫度場(chǎng)的研究和殘余應(yīng)力的分布情況可以采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析，這樣就可以省去大量的實(shí)驗(yàn)，從而可以大大節(jié)省人力、物力和時(shí)間，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益［5，7，9］。D500 鋼作為一種低合金高強(qiáng)鋼，具有高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn)，重量低，生產(chǎn)工序簡(jiǎn)單，蠕變速率低，使用壽命長(zhǎng)，承載能力高，運(yùn)輸費(fèi)用低，整體成本較低，被廣泛應(yīng)用于船舶工業(yè)、橋梁鋼構(gòu)、航空航天等領(lǐng)域［6，10］。低合金鋼在世界范圍內(nèi)需求的不斷提高使得其在焊接結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用越來(lái)越普遍，對(duì)焊接質(zhì)量和焊接效率的要求也越來(lái)越高。目前，針對(duì)D500鋼激光焊接數(shù)值模擬的研究較少，因此，D500鋼激光焊接過(guò)程溫度場(chǎng)模擬對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 激光焊接試驗(yàn)

試驗(yàn)選用厚度為5 mm的D500低碳調(diào)質(zhì)鋼平板，其化學(xué)成分如表1所示。采用波長(zhǎng)為1.06 μm的光纖激光焊機(jī)，焊接裝置如圖1所示，通過(guò)逐步改變激光輸出功率和離焦量，使試件均勻焊透，并獲得良好外觀焊縫。焊接工藝參數(shù)如下:激光輸出功率為3000 W，光斑直徑為0.6 mm，離焦量為1 mm，焊接速度為15 mm/s。焊接試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試樣進(jìn)行線切割、打磨、拋光、腐蝕，獲取接頭截面宏觀試樣，測(cè)量焊縫表面尺寸。

圖1 激光焊接裝置Fig.1 Laser welding device

表1 D500鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of D500 steel%

2 激光焊接模型

2.1 建立有限元模型

所分析的激光焊試件是對(duì)稱的幾何平板形狀，幾何形狀和載荷分布關(guān)于焊縫中心線對(duì)稱。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，便于分析模擬，通常取一半進(jìn)行分析，因此建模時(shí)僅需建立實(shí)際幾何形狀尺寸的一半，尺寸為90 mm×25 mm×5 mm。有限元模型如圖2所示。

圖2 D500鋼激光焊有限元模型Fig.2 The finite element model for laser welding of D500 steel

2.2 材料熱物理性能參數(shù)

進(jìn)行焊接溫度場(chǎng)分析，首先要確定熱物理性能參數(shù):導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·℃））、對(duì)流換熱系數(shù)（W/（m2·℃））、密度（kg/m3）、比熱容（J/（kg·℃））、熔點(diǎn)（℃）以及焊件的初始溫度（℃）。材料的熱物理性質(zhì)對(duì)焊接溫度場(chǎng)分布及焊縫成形有著十分重要的影響，其數(shù)值直接影響溫度場(chǎng)的形態(tài)和大小［11—12］。除了材料的熔點(diǎn)（D500鋼熔點(diǎn)約為1500℃）和工件的初始溫度（20℃）是常數(shù)外，材料的其他屬性參數(shù)都是溫度的函數(shù)。D500鋼熱物理性能參數(shù)［5，14］見(jiàn)表2。

表2 D500鋼熱物理性能參數(shù)Table 2 Thermo-physical property parameters of D500 steel

2.3 建立熱源模型

要對(duì)激光焊進(jìn)行數(shù)值模擬，首先要合理描述激光焊熱輸入分布模式，在考慮激光焊接工藝熱輸入分布特點(diǎn)的情況下，建立適用于激光焊接的熱源模型。筆者采用的組合熱源模型為橢球熱源加柱體熱源。各熱源模型公式［13］如下。

1）橢球熱源模型函數(shù)公式:

式中:a，b，c分別為橢球的半軸長(zhǎng)。

2）柱體熱源模型函數(shù)表達(dá)式:

式中:r0為熱源徑向分布參數(shù);H為熱源高度;h為熱源任意界面高度;m為熱源上下表面熱流峰值調(diào)節(jié)系數(shù)。

2.4 初始條件與邊界條件

將焊接試樣的初始溫度設(shè)置為環(huán)境溫度，即室溫20℃。焊接過(guò)程中，焊件與外界同時(shí)存在著對(duì)流和輻射。由于焊接過(guò)程的對(duì)流和輻射過(guò)程非常復(fù)雜，因此為了簡(jiǎn)化整個(gè)計(jì)算過(guò)程，采用一個(gè)總傳熱系數(shù)，即為 20 W/（m2·K）。

3 結(jié)果及分析

3.1 激光焊接接頭宏觀金相

焊接試驗(yàn)結(jié)束后制取接頭截面宏觀試樣并測(cè)量焊縫表面尺寸。接頭宏觀截面如圖3所示。由圖3可知，工件表面下陷可能是由于激光焊接過(guò)程中匙孔效應(yīng)導(dǎo)致金屬元素的蒸發(fā)所致。

圖3 激光焊焊接接頭宏觀金相Fig.3 Macro metallurgical structure of welded joint by laser welding

3.2 模擬結(jié)果分析

焊接過(guò)程中焊件表面溫度場(chǎng)分布如圖4所示。由圖4可知，在焊接過(guò)程中的整個(gè)溫度場(chǎng)變化情況都是經(jīng)歷了一個(gè)從非穩(wěn)態(tài)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)再到非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程。加熱開(kāi)始一段時(shí)間內(nèi)，溫度很不穩(wěn)定，而且焊件升溫迅速，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，焊件上會(huì)形成準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)，即焊件上各點(diǎn)的溫度雖然隨時(shí)間變化，但各點(diǎn)固定的溫度跟隨熱源一起移動(dòng)。進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)后，激光焊接溫度場(chǎng)模擬結(jié)果為一組以焊接方向?yàn)殚L(zhǎng)軸的橢圓，光斑中心前半部等溫線較密、后半部較疏，越遠(yuǎn)離光斑中心越稀疏，說(shuō)明前半部的溫度梯度大、后半部的溫度梯度小，越遠(yuǎn)離光斑中心溫度梯度越小。

圖4 焊件上表面溫度分布云圖Fig.4 Temperature distribution on the surface of the welded part

圖5所示為縱截面方向在4 s時(shí)刻的熱循環(huán)曲線?？梢钥闯觯附舆^(guò)程中試板經(jīng)歷了一個(gè)快速升溫和緩慢降溫的過(guò)程，且最高溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于材料的熔點(diǎn)，因此，實(shí)際焊接時(shí)在中心部位不可避免地要發(fā)生一定的變化，由于溫度梯度大，引起材料的熱膨脹系數(shù)不同，容易在焊縫周圍產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力應(yīng)變，從而容易產(chǎn)生缺陷。

圖5 縱截面方向在4 s時(shí)刻的熱循環(huán)曲線Fig.5 Thermal cycle curve in the longitudinal section direction at 4 s

3.3 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較分析

圖6為有限元模擬的焊接熔池邊界與實(shí)際焊縫熔合線的比較。從圖6可以看出，模擬的焊接熔池邊界處的溫度達(dá)到D500鋼熔化溫度1500℃以上，且其釘頭狀焊縫形貌與焊縫熔合線基本吻合，實(shí)際焊縫尺寸:焊縫深度、焊縫上表面熔寬、焊縫下表面熔寬分別為5，2.5，1.5 mm，有限元模擬尺寸:焊縫深度、焊縫上表面熔寬、焊縫下表面熔寬分別為5，2.4，1.3 mm，且尺寸誤差均在誤差范圍內(nèi)。以上均表明，采用橢球熱源和柱體熱源的組合熱源模型模擬激光深熔焊接溫度場(chǎng)是較合理的。

圖6 模擬焊縫形狀與實(shí)驗(yàn)焊縫形狀對(duì)比Fig.6 Comparison of the simulated and experimental weld seam shape

4 結(jié)論

1）針對(duì)D500鋼激光焊接接頭形狀，建立了均勻分布的柱體熱源加橢球的組合熱源模型。

2）基于ANSYS有限元軟件對(duì)D500鋼激光焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，證明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好。

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