T型接头激光焊接的温度场和应力场的数值模拟

1、安徽工业大学学报第卷第期文章编号：（）年月型接头激光焊接的温度场和应力场的数值模拟丁林，周永涛，李明喜（安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山）摘要：基于的焊接分析功能，采用有限元方法研究激光动态焊接过程中温度场、应力场、应变场的变化情况，应用软件的校正工具对三维高斯热源进行校核。考虑各相的热物理性能参数与温度的非线性关系，建立焊接过程的数学结果表明：随焊接速度的减小，热循环在高温时刻模型和物理模型，以不锈钢为例，对型接头进行三维动态模拟。停留时间增加，冷却速度减慢；随着远离起始端距离的增加拉应力值逐渐减小转变为压应力，最后趋向零。关键词：温度场；应力场；应变场；有限元法中图分类号：文献标

2、识码：，（，）：，：；近年来，随着计算机技术和仿真算法的发展、完善，焊接模拟技术变得越来越重要，它不仅能够有效地提高产品的经济效益，还可以节省大量的时间。有限元法是伴随计算机软件及硬件技术发展起来的结构分析方法，它已经成功地解决了工程领域中的许多问题，广泛应用于焊接接头的应力应变分析中。激光焊接利用高能量密度的激光束作为热源，是一种高效精密的焊接方法，是一个快速且不均匀的热循环过程。焊接热源集中作用在焊件接头部位，使焊件存在焊接温度梯度，形成不均匀的温度场，引起不均匀的应力场。虽然构件热变形量小，但其焊接残余应力由于温度梯度大可能达到很大的数值。焊接温度场和焊接应力变形场是影响焊接质量和生产率

3、的重要因素。一些研究者在焊接温度场和焊接应力变形场的模拟等方面做了大量工作。由于焊接过程的复杂性，优化焊接结构和焊接工艺设计，对温度场和应力场的数值模拟仍具有重要的理论和实际意义。笔者利用大型焊接专用软件对型接头的温度场和应力场进行三维动态模拟分析。温度场数学模型的建立非线性瞬态热传导问题的控制方程为：收稿日期：基金项目：安徽省教育厅自然科学研究项目（），安徽省自然科学基金项目（）作者简介：丁林（），男，安徽阜阳人，硕士。第期丁林等：型接头激光焊接的温度场和应力场的数值模拟（）""""的热量）；为材料的导热系数；，分别为坐标轴。，随温度变化。初始条件：当

4、时刻，工件具有均匀的初始温度，一般为周围环境温度。"式中：，分别为材料的密度和比热；为温度；为时间；为内部热源（包括激光施加的热量以及相变释放边界条件：（）（）边界上的热流密度分布%""（，）（）边界上的物体与周围介质的热交换"""（）"""（）（）式中：为单位面积上的外部输入热源；为表面换热系数；为周围介质温度；为导体表面上的温度；，为边界外法线的方向余弦。物理模型的建立有限元模型激光焊接的能量密度非常高，有效加热区域非常小，在网格划分时，要求在焊缝附近采用很小的网格尺寸，在远离焊缝的区域可以选择较大的

5、网格尺寸，焊接热源的加载方向与翼板成夹角。焊件的初始温度为，焊件腹板尺寸××，翼板尺寸为××，三维有限元网格模型如图所示。能量输入图三维有限元网格模型模型假设（）材料为各相同性材料；（）忽略熔池流体的流动作用。焊接热源焊接热源选择对焊接温度场的计算精度，特别是对靠近焊接热源的高温区有很大的影响，激光焊接过程中相当部分热量是通过热传导和辐射直接输给焊件的。为此，采用高斯分布热源模型，如图（）。高斯分布函数为（）（，）式中：为能量输入率；（，）为时间时刻在（，）位置的热流量；为热源的集中系数；为焊接速度；为电源位置滞后的时间因素。焊接采用有效功率为，焊接速度

6、分别为，热效率为。了进一步提高热源的准确性，在计算前采用（）（热源上限热源下限（）高斯热源软件中的热源校正工具，输入具体的焊接结构和尺寸、焊接材料的热物理性能参数以及选定的焊接工艺参数对热源进行了校正，如图（）所示。材料的热物理性能参数安徽工业大学学报焊接过程的热传导是一个复杂的非线性问题，热物理参数如热传导率、比热、密度等随温度变化，材料的热物理性能参数如图。忽略固态相变潜热的影响，考虑在熔点温度处给定一个很大的阶跃值。比热（）温度（）比热随温度的变化图材料的热物理性能参数结果与分析型接头的温度场温度场的数值模拟是应力数值模拟的基础，温度场的分布对应力的分布规律有极大的影响。图给出不同扫描速

7、度下沿焊缝方向，时刻的温度分布。从图可以看出，在加热过程中，随着热源的移动，焊件上各点的温度迅速升高；经一段时间后形成准稳态温度场。在随后的冷却过程中由于受到后面热源的再热作用，各位置的冷却速度互不相等，随时间的变化焊件上各点的温度趋于稳定，降至室温。（），（），第期丁林等：型接头激光焊接的温度场和应力场的数值模拟（），图（），型接头不同时刻的温度场分布图为垂直于焊接线方向上焊缝、熔合区、热影响区不同节点（图（）的温度变化曲线。从图（）可以看出，在时刻开始焊接后，在移动热源作用下母材逐渐熔化形成熔池，受熔化高温金属的预热作用，焊缝上节点（，）的温度逐渐升高，大约在时刻热源移到该节点处，温度达到

8、峰值；而后随焊接过程继续进行，热源移开，该节点处熔池开始冷却，由于受到后面熔池的再热作用，与加热速度相比冷却速度明显缓慢；当在时刻开始焊接第道时，由于第道焊接的预热作用，焊缝上节点（，）的温度从°逐渐升高，随着焊接热源的移动，焊件上的节点（，）经历着与第道焊缝相同的热循环过程。在热影响区，各节点（，）同样经历了与焊缝类似的热循环，热源虽然不对这些位置直接加热，而是通过热传导间接加热，其所达到的峰值温度远低于焊接熔池，并且随着远离熔池距离增大，峰值温度明显降低。（）图焊缝、熔合区、热影响区方向上各点的温度变化（）从图，可以看出，在不同焊接速度、同一时刻下，其温度场的分布不同，小焊接速度

9、下，温度场的分布比大焊接速度的较宽；在同一节点处，其经历的热循环也不相同，随焊接速度的减小，热循环在高温时刻的停留时间增加，冷却速度减慢。型接头的应力场图为接头的应力场分布。图（），（）分别是，时第一道焊接结束时刻距焊缝起始端处腹板上表面各点的横向应力分布。从图（）可以看出最大平均应力在焊缝处分别达到；在距焊缝中心左右，焊缝处出现平均压应力，在距焊缝中心处平均压应力达到峰值，随着距焊缝距离的增加平均应力逐渐减小到零。图（）中最大应力为，在焊缝处首先是拉应力，随着距焊缝距离的增加，拉应力转变为压应力，之后再出现拉应力，最后逐渐趋于稳定。图（），（）分别是，时第一道焊接结束时刻距焊缝起始端处腹板上

10、表面各点的纵向平均应力分布。从图（），（）可以看到，在焊缝的起始端为拉应力，沿焊缝方向，各点的应力值逐渐转变为压应力，随着各点离热源距离的减小，平均应力值逐渐减小趋向于零；随焊接速度的减小，腹板的拉、压应力明显增加。图为焊后型接头热应变示意图。从图可以看到，焊件腹板发生挠曲变形，主要是焊件的横向收缩引起的。焊件的翼板发生角变形，扫描速度为，最大应变发生在焊缝附近分别为，；平均应变随着焊接速度的减小而减小。安徽工业大学学报图腹板上表面各点的横、纵向应力分布从图，可以看出最大应力和变形发生在焊缝附近，由于焊件的边缘受到约束，热源附近的金属受到热源的直接加热，随着距焊缝距离的增加，由热传导作用获得的

11、热量越少，焊件金属的热膨胀变形就不一样，而且焊缝金属受到前后温度较低金属的限制和约束而承受压应力，使焊件在宽度方向上压缩塑性变形，在焊后产生横向收缩变形。在焊缝长度方向上横向收缩也不相同，随热源的移动，先焊的焊缝横向收缩对后焊的焊缝产生一个挤压作用，使后焊的焊缝产生更大的横向压缩变形。结论（）随焊接速度的减小，温度场分布加宽，热循环在高温时刻停留时间增加，冷却速度减慢。熔合区、热影响区上各点的温度随距离的增大峰值温度（）焊接温度场随时间和空间的变化，焊件熔池、明显降低。纵应力变化趋势相近，随着距离焊件起始端距离的增（）模拟型接头焊接过程的应力场，焊件的横、加，拉应力值逐渐减小转变为压应力，最后趋向零。参考文献：汪建华焊接力学数值模拟的发展及其工程应用中国机械工程学会焊接学会第次全国焊接学会论文集（）哈尔滨：黑龙江人民出版社，：，：李义丹，辛国