激光焊接温度场数值模拟的研究现状

激光焊接温度场数值模拟的研究现状

激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效、快速的焊接方法，广泛应用于航空航天、汽车、电子、轻工业、医疗和原子能工业领域。由于激光焊接是一个快速而不均匀的热循环过程，焊缝附近出现很大的温度梯度，在焊后的结构中也会出现不同程度的残余应力和变形，这些都成为影响焊接结构质量和使用性能的重要因素。由于激光焊接应力与变形的根本原因在于焊接过程中不均匀的加热和冷却，因而对激光焊接温度场的研究是激光焊接应力和应变分析的前提。所以，准确地认识激光焊接温度场有很深刻的现实意义。以往对激光焊接温度场、应力应变场的分析都是通过试验的方法测量并采集数据，进行定量分析。由于受试验条件等方面的限制，所得数据的精确度并不高，而且浪费大量的人力、物力和时间。虽然这些问题可以通过解析方法即解某些特定的微分方程组来进行定量计算，然而，只有在十分简单的情况下，并且作许多简化的假设，才有可能求得这些方程闭合的解析解，而实际的焊接问题多种多样，边界条件十分复杂，用解析方法来求解这类微分方程是十分困难的。在高速电子计算机发展的今天，大多采用数值模拟的方法。数值模拟的方法有很多种，如差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡罗法等。特别是有限元法，现已广泛应用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和应变分析的研究。一批性能好、使用广泛的有限元程序软件（如ANSYS,MARC,ADINA,SYSWELD等）的出现为研究人员提供了很好的模拟计算工具。ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件，能够进行包括结构、热、声、流体、电磁场等科学的研究。在核工业、铁路、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。本文介绍了基于ANSYS有限元分析软件对激光焊接温度场进行数值模拟的流程和几个关键问题的处理以及激光焊接温度场数值模拟的研究现状。1anasas瞬态热分析流程ANSYS热分析分为稳态热分析和瞬态热分析2种。激光焊接过程是一个局部快速加热到高温随后冷却的过程，随着热源的移动，整个焊件的温度随时间和空间急剧变化，材料的热物理性能也随温度剧烈变化。因此，焊接温度场分析以及引起的应力场分析都属于高度的非线性瞬态分析过程。分析流程图如图1所示。ANSYS瞬态热分析主要有3个步骤：(1）前处理包括定义单元类型、输入材料热物理属性、创建几何实体模型、设置网格单元尺寸、生成有限元模型。(2）施加载荷和求解包括定义分析类型、设定载荷步选项、设置边界条件、求解运算。(3）后处理ANSYS提供2种后处理方式：通用后处理（POST1），可以对模型的某一时刻的结果列表或图形显示；时间-历程后处理（POST26），可以列表或图形显示模型中某一点随时间的变化结果。2处理一些重要的问题2.1根据温度变化分有限元网格的划分既要有利于节省计算时间，还要保证焊缝处计算的精确性，所以应该采用特殊的网格划分形式。远离焊缝位置的地方，由于温度变化不明显，应采用比较大的网格尺寸，有利于节省计算时间；在焊缝位置附近，温度场变化剧烈，需要采用较细密的网格划分，以保证计算的精确性。所以采用从边缘到焊缝渐密的网格划分，焊缝处的最小网格尺寸要与激光光斑尺寸相当。2.2面热源热流密度激光焊接主要有2种机制：传导焊和深熔焊。对于激光传导焊接的温度场计算，一般采取与电弧焊类似的处理办法，把热源看成点热源或二维面热源处理。面热源的能量密度分布为高斯分布，如图2所示。其函数表达式为：式中：qm为加热斑点中心最大热流密度；R为电弧有效加热半径；r为点A距电弧加热斑点中心的距离。对于移动热源，在深熔激光焊接中，由于小孔的存在，使得其与一般电弧焊加热机理不同。对于小孔加热的处理，一般采用沿厚度方向的线热源或三维体热源来模拟，再加上表面的高斯分布热源就形成了一种组合式热源，如图3所示，总的输入量由2个热源按一定比例分配。2.3试验过程的模拟计算偏差金属材料的物理性能参数如比热容、热导率、弹性模量、屈服应力等一般都随温度的变化而变化。当温度变化范围不大时，可采用材料物理性能参数的平均值进行计算。但焊接过程中，焊件局部加热到很高的温度，整个焊件温度变化十分剧烈，如果不考虑材料的物理性能参数随温度的变化，那么计算结果一定会有很大的偏差。所以在焊接温度场的模拟计算中一定要给定材料的各项物理性能参数随温度的变化值。但是，许多材料的物理性能参数在高温特别是接近熔化状态时还是无法获取，某些材料仅有室温数据，而高温性能参数对焊接过程的模拟结果和计算过程均有较大影响，这会给模拟计算带来很大的困难。当然，通过试验和线性插值的方法可获得高温时的一些数据，但有时处理不当，就会导致计算结果不收敛或不准确。2.4辐射传热系数的计算焊件的边界由于与外界存在温度差而与周围介质换热，其中包括对流换热和辐射换热。试验表明，在焊接时热能的损失主要是通过辐射换热，而对流换热作用相对较小。温度越高则辐射换热作用越强烈。一般辐射与对流换热计算方式不同。为了计算方便，应考虑总的换热系数。这样，因边界换热而损失的热能可表示为:式中：T为焊件表面温度；T0为周围介质温度；β为表面换热系数，β=βc+βe（βc为对流换热系数;βe为辐射换热系数）。严格地说，对流换热系数还与焊件的部位有关，因为周围气体流动特性不一样，但要测出不同部位的对流换热系数是很困难的，所以一般不予考虑。此外，与材料的其他物理性能参数一样，换热系数也随温度的变化而变化。在计算时，必须给定随温度变化的表面换热系数值。2.5等效比热容法焊接过程中，母材熔化时，由固态变为液态，要吸收能量，反之，熔池凝固时，由液态变成固态，要放出热量。所以在计算温度场时，要考虑熔池相变潜热对温度场的影响，否则计算结果会有较大偏差。对于固态相变，由于其潜热一般比固液相变潜热小很多，通常将其忽略，但在高强钢焊接时必须考虑其影响。对固液相变潜热处理通常采取的方法有修正比热容法、热焓法和温度回升法，这里对等效比热容法做简要介绍。等效比热容法是通过材料的比热容量在熔化温度范围内的迅速上升或下降的变化来计算潜热对结构热焓值的影响。等效比热容法按下式计算：式中：C为不考虑潜热时的比热容；Ce为等效比热容；ΔT为凝固温度范围；ΔQ为潜热。2.6熔池对流的模拟熔池对流对温度场的影响，在焊接速度比较快的情况下是不可忽略的。熔化金属的流动对温度场所起的作用主要是基于流体动力学的基本公式的一些推导和薄板焊接熔池的计算机模拟。对熔池对流的处理可以参考文献，通过增加有效液体的热导率来近似考虑对流的增强。等离子体对激光深熔焊温度场的影响主要是通过对激光能量的吸收和对光束的散焦，为简化模型，有些文献认为任何位置的金属，只要其温度超过材料的沸点，则该处金属汽化，但仍将其保留在模型中，以模拟小孔中等离子体的影响，此时认为该处金属处于一种虚拟的高温状态。3热分析过程的数值模拟法自从1973年Swift-Hook和Gick开始对激光焊温度场进行研究以来，激光焊接热过程数值模拟已经历了30多年的发展历史。上世纪80年代初期，Mazumder采用有限差分法，发展了用于高斯分布的激光束与物质相互作用过程的二维传热模型。后来，Chande和Mazumder修正了该有限差分热传导模型，研究中除考虑小孔、表面对流、辐射热散失外，还考虑到热物理性能随温度的变化，给出了移动热源下物质与激光相互作用的三维热传导模型。1984年，Goldak等人针对高能束焊接的特点提出了具有分布式的双椭圆体热输入有限元模型。随后，Ichiko等通过变动双椭圆体热源中的参数对Mazumder的三维激光焊模型作了改进，以解决任意高能束热源下的温度分布问题。1988年，Stem等将孔口等离子体的点热源和小孔线热源叠加，提出了点-线热源的数学模型，其讨论基于格林方程及高斯分布的激光热源。1993年，Bonollo等建立点-线热源的模型，他们将充满金属蒸汽的柱状小孔的作用视为一个热源，将羽状等离子云视为另一热源，该模型的计算值要比实测值大。虽然这种点-线热源模型对小孔上部和下部的不同给予了解释，但对有限厚度工件并不能得到满意的结果。1997年，Wei和Shian给出用于计算抛物曲面回转体熔池周围温度场的新的三维解析表达式，消除了以往模型中不考虑熔池中的流动、对流作用，垂直线热源方向的热传导及动量平衡的缺陷。Wei还用新方法获得了令人满意的、准确的表面绝热条件，从而提出了新的解析温度场模型，并给出了一个点热源表达式来修正线热源，使强度与位置相关，克服了早期模型的缺陷。在国内，有关激光焊接机理及焊接过程的数值模拟研究起步较晚，但发展比较迅速。2001年，刘顺洪等人进行了薄板激光焊温度场的分析与数值模拟，考虑了材料热物性参数的温度相关性、熔化潜热以及对流辐射等对温度场的影响，并对模拟结果与试验结果进行比较，吻合较好。2002年，蔡志鹏等人针对焊接过程数值模拟计算效率低的难题，通过分析焊接热源的特点，在移动高斯热源的基础上，提出分段移动热源模型。该模型从宏观上体现焊接热源移动的特点，减少了描述热源逐点移动所需的计算量，从而大幅度提高了计算效率。2003年，薛忠明等人深入分析了激光焊接小孔传热模型的特点，在此基础上选取合适的热源形式，研究了移动线热源和高斯分布热源作用下准稳态与瞬态激光焊接温度场。4有限元模拟研究有待进一步