激光焊接过程温度场的模拟
激光焊接中的温度场与应力分析
激光焊接中的温度场与应力分析激光焊接是当前一种应用广泛的金属焊接技术，它具有结构紧凑、能耗低、工作稳定等优点。
而激光焊接中的温度场分析和应力分析则是保证激光焊接连接强度和质量的重要技术手段。
本文就激光焊接中的温度场和应力分析进行了深入探讨。
一、激光焊接中的温度场分析在激光焊接中，由于热源本身具有高的温度和较小的热影响区，所以焊接过程中产生的热量主要作用在局部的焊缝上。
在焊接过程中，由于材料的物理性质和热传递速率的不同，会在焊缝上形成不同的温度场。
为了分析并控制激光焊接中的温度场，需要运用有限元分析等方法进行模拟计算，得出焊缝温度分布曲线。
激光焊接中的温度场分析有利于确定焊接过程中的温度控制参数，从而保证焊接质量。
常见的温度控制参数包括激光功率、焊接速度、预热温度等，这些参数的优化和控制可以使得焊接质量更为稳定，同时也可以有效降低成本。
二、激光焊接中的应力分析激光焊接中的应力主要来自于焊接过程中的热冲击和材料内部应力的释放。
在焊接过程中，由于局部高温和快速冷却的作用，会使得焊件发生热变形，从而产生应力。
应力分析是为了控制焊接质量和避免铆接开裂等异常情况出现而进行的重要分析方法。
应力分析需要考虑到焊缝的几何形状、材料的物理性质、热传导、膨胀系数等因素，这些因素共同决定了焊接过程中的应力分布。
最常用的应力分析方法是有限元法，通过建立焊接模型，输入激光功率、焊接速度、预热温度等参数，得到局部应力变化规律，进而预测焊缝的应力分布，并指导焊接工艺优化。
三、激光焊接的应用激光焊接由于其高效、快捷、节能的特点，近年来已经广泛应用于机械、汽车、航空航天等领域的生产制造过程中。
例如，汽车发动机缸头、汽车轮毂、机械结构件等均采用激光焊接工艺制造。
同时，激光焊接也被广泛应用于高新技术领域，例如微电子封装、薄膜材料加工等领域。
激光焊接的应用需要依靠温度场和应力分析，保证焊接质量、连接强度和可靠性。
同时，激光焊接还需要在实际应用场景中不断进行工艺优化和改进，以适应新材料和新领域的应用需求，推动激光焊接技术的发展。
激光焊接1Cr17铁素体不锈钢温度场数值模拟
A—材料的导热系数/ (W^m_1 •C"1);
入 其中c和 均随温度变化；、、和z分别为坐 标轴。
初始条件:当t =0时,焊接试板的初始温度
为丁0,在不预热条件下，初始条件为分布均匀的
)。 周围环境温度，见式(2
=几
(2)
t=0
边界条件:激光焊接时焊缝金属主要以热对
焊接过程中 随 化和
变的
。 变潜热的产生 潜热在SYSWELD有
( )。 限元软件中是以熠的形式来表示，见式 5
)+ D)
H= 0 rc(T) dT
(5)
式中:tH—相变潜热/(kJ・m");-材料的
・ )— 度/(kg m")；c(T 材料比热容-温度函
数/(J ・ ・ kg" °C ")。
在某一温度增量区间，材料的相变潜热H表
第27卷第3期 2021年6月
宽厚板
WIDE AND HEAVY PLATE
- - Vol. 27,No. 3 June 2021 37
激光焊接lCrl7铁素体不锈钢温度场数值模拟
赵庆宇秦坤万'
（唐山中厚板材有限公司）
摘 要 采用SYSWELD有限元软件，建立了激光焊接铁素体不锈钢的3D有限元模型。考虑材料的热物 性参数与温度的非线性关系以及表面对流和辐射热交换的影响,分析了激光焊接过程中温度场的分布及焊缝 表面不同点的热循环变化,并进行了实验验证。结果表明:焊接一段时间后，焊接温度场呈现准稳定状态，随焊 接热源的继续移动，焊缝区各点的温度基本保持稳定。沿着焊接方向，焊缝表面不同节点rmai - To和际几72冷却速度逐渐降低。另外，焊缝熔池的模拟结果和相同工艺参数的实验结果相吻合,证明了焊接过程中数 学模型建立的合理性，模拟结果为铁素体不锈钢焊接过程的优化提供了理论依据。
激光深熔焊三维瞬态温度场的数值模拟
） 达到最大值 ； ｚ ② 轴上各处 的热流密度峰值逐渐减
小 。该 热源模 式 的数 学 表达式 为
在直角 坐标系 中能量 守恒 方程 为
收 稿 日期 ： ０ ８— ９—１ ２０ ０ ７
加
效 高度 。
唧 ［
，
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度大 于 熔 池 后 部 的温 度 梯 度 高 温 区 域 窄 小但 比 较 深
、 、
这有 利 于 最 终 形 成焊点 小 熔 深 大 热 影 响 区 窄 的 焊接
接头
ห้องสมุดไป่ตู้
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图 3 是 不 同截 面 熔 池 形 状 的瞬 态 变化
，
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照 射 到 工 件 上 以 后 熔池 形 状 开 始 时 接 近 为 椭 球 形 随
激光 深熔焊 ¨ 。 Ｊ
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激 光深熔 焊接 涉及 的热 物理 过程 复杂 ， 尤其是有关 小孔 生成和长大 的物理机 制 的分 析 和描述 还很 不 完善 。 单纯通 过试 验 的方法 进行研 究 成本 太 高 ， 采用 数值 分 而
析 的方法 获得一些理 ｆ 生的认 识并结合试 验验证不 失为对 该工艺进行研 究 的有效方 案 Ｊ 。文 中采用 旋转 高斯 曲
式 中 ： ， 为上表 面 的单位 法 向矢 量 ； 为激光 传 递给 工 ｌ ｇ 件 的热 流密度 ， 见式 （ ）ｇ 为对 流和 辐射散热 ； ６ ； ｑ 为蒸
ANSYS在激光焊接温度场数值模拟中的应用
【２ 中国航空材料手册》编辑委 员会． ｌ】《 中国航空材料手册 （ 卷： 第３ 铝
合 金 镁 合 金 ） ． 京 ：中 国 标准 出版 社 。２０ ． ４ ９ ． 【 北 Ｍ】 ０ ２ ８ — ２
【０ ａ ｈＭｏ ｎｒ ｕ ｔｒ ｅｂｈ Ｂ ｏａ ｔ ｅｔ ｏ ｓ ｎ ｅ ｆ ｅｃ ２］Ｒ ｌ ｂ ｅ。Ｇ ｎｅ ｒｔ． ｕｙ ｌｆ ｗ ｄ ｒｎ ｕｎ ｅｏ ｐ Ｇ ｎ ｍ ｌ ｕ ｉｌ ｆ ｓ ａｙａ ｄｒｔｔ ｇｍ ｇ ｅｉ ｆ ｌｓ ］ ｒｓ． ｒｗｈ ９ ９ １７） ｔ ｄ ｎ ｏ ｉ ａｎｔ ｅ ［．Ｃ ｙｔ Ｇ ｔ ，１９ ，（９ ： ｅ ａｎ ｃｉｄ Ｊ ｏ
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［ ３ ｔ 。 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 。
缝 中气 孔 的抑 制 ． 空 工 艺 技 术 ，１９ 。４ （ ） ６ ２ ． 航 ９ ９ ２ ３ ：２ － ８ －
ｎ ｔ ａｙｄｉｅ ｏ ｎｓｂｍｏ ｔｒ ｇｏ ｔ ｌ ｉｅ ｄｓ ｂ ［ ． ｅｉｌ ｒ ｎｆ ｗ ｉ ｕ－ ｌ ｓｉｉ ｓｅ ｌ ｔ ａ ｌ ｓ １ ｅｌ ｖ ｌ ｄ ｒｎ ｆ ｅ ｂ ｌ ｓｎ ａ Ｊ
矩形激光焊接过程温度场的模拟
在实际操作中 ,激光焊接过程条件十分复杂 ,所 以在模拟时需要进行以下假设 : ( 1) 激光输出的能量分布稳定 ; ( 2) 忽略焊接过程等离子体对材料吸收激光能 量的影响 ; ( 3) 忽略熔池流体的流动作用 。 4. 2 材料的热物理性能参数 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改变而变化 。 激光焊接过程中 ,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 算结果一定会有较大偏差 。本文在模拟中选用了热 物理性参数相对完整的低碳钢板 , 其具体热物理性 参数如表 1 所示 。 — 191 —
2 高斯热源模型
2. 1 高斯热源的热流密度分布
目前 ,对激光焊接过程模拟的热源模型[ 1～2 ] 主 要有 : 高斯热源 、 双椭圆高斯热源 、 椭球热源 、 双椭球 热源 、 移动线状热源 、 面体复合热源等 。本文基于二 维平面进行模拟 , 选用了高斯热源模型 。激光焊接
基金项目 : 广东省科技攻关项目 ( 项目编号 :2006A10405002) 收稿日期 :2008201218
3 温度场的有限元分析
3. 1 控制方程
对于非线性瞬态二维热传导 ,其控制方程为 ρ c 9T 9 κ9 T 9 κ9 T = + +Q 9x 9y 9t 9 x 9y
( 3)
式中 : Q 为内热源强度 。
3. 2 初始条件与边界条件
初始条件 : 当 t = 0 时 , 工件具有均匀的初始温 )。 度 ,即周围环境温度 ( T0 = 20 ℃
本文在模拟中选用了热物理性参数相对完整的低碳钢板其具体热物理性参数如表激光焊接中高斯热源的功率密度分布高斯热源的功率密度分布为热流集中程度系数对应于热流分布的特征半功率p04060移动线热源条件下准稳态温度场计算模型对于无限扩展板上作用匀速直线运动线状热源速度为距移动热源为热源移动方向论计算式薄钢板的热物理性能参数tablethermophysicsperformanceparameterssheetsteel摄氏温度pa屈服强度pa切变模量pa材料密度比热容线膨胀系数材料泊松比2050010001500200006e1101e1107e9007e906e1001e10782076107490735072005040303514146053067066080030e25焊接过程的相关工艺参数模拟过程中选用了二块薄钢板其形状尺寸均为100mm25mm4mm2000w激光聚焦的光斑半径约1mm焊接速度为vf因此焊接时间需要10s而激光束的运动轨迹是沿焊缝从左向右移动对每段所属单元加载高斯分布的热源在每次加载后均进行求解而当要进行下一次加载求解时除上一次所加的高斯热流密度并且将上一次加载所计算得到的各点温度值作为下一段加载的初始条现移动焊接瞬态温度场的计算
焊接过程中的温度场模拟及其优化
焊接过程中的温度场模拟及其优化焊接是一种热加工方法，通过热源将金属加热到熔化状态，使得两个金属材料在熔池的作用下相互融合，从而形成一个整体。
然而，焊接过程中的高温和温度梯度对材料的组织和性能产生了很大的影响。
因此，温度场模拟和优化是保证焊接接头质量的关键所在。
一、焊接温度场模拟的原理和方法温度场模拟是利用计算机数值分析方法，对焊接过程中材料受热冷却的过程进行模拟，以求得焊接接头的温度分布、热应力和变形等信息。
在焊接过程中，热源会产生高温，材料受热后产生热量逐渐扩散到材料周围，直至热量逐步消散。
因此，要进行温度场模拟首先需要建立完整的三维模型，并设定良好的热源参数、材料物性参数和边界条件等。
温度场模拟可以采用多种方法，如有限元法、有限差分法、边界元法等。
其中，有限元法是目前最常用的一种模拟方法。
有限元法的基本思想是将连续的物理空间划分为有限的单元，利用变分原理和微分方程求解每个单元的温度分布。
在实际模拟中，有限元法可以分为三个步骤：建立有限元模型、求解有限元方程、分析计算结果。
二、焊接温度场模拟的优化方法在焊接过程中，由于材料性质和接头几何形状等原因，产生的温度场分布不稳定，会导致接头形变和热应力，影响接头的质量。
因此，需要通过温度场模拟来优化焊接过程，减少焊接缺陷。
1、热源优化热源参数的优化是焊接温度场模拟的重要步骤。
通过调整热源功率、焊接速度、焊接角度等参数，可以对焊接过程进行控制。
热源功率是控制焊接温度场分布的关键因素。
在模拟过程中，可以通过调整热源功率控制焊接过程中的温度分布，达到控制热影响区大小和缩小焊缝宽度的效果。
2、材料参数优化焊接材料的物性参数是影响温度场分布的另一个关键因素。
不同材料的热传导系数、比热容等物性参数不同，会对温度场产生影响。
因此，在温度场模拟时需准确设置焊接材料的物性参数，以求得更真实、可靠的计算结果。
3、边界约束优化边界约束条件是影响焊接接头形变和变形的重要因素。
T型接头激光焊接的温度场和应力场的数值模拟
Ｖｏｌ．２４Ｎｏ．４安徽工业大学学报第２４卷第４期Ｏｃｔｏｂｅｒ２００７Ｊ．ｏｆＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００７年１０月文章编号：１６７１－７８７２（２００７）０４－０３８４－０５Ｔ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２４３００２）摘要：基于ＳＹＳＷＥＬＤ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ＳＹＳＷＥＬＤ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模型和物理模型，以不锈钢Ｘ５ＣｒＮｉ１８１０为例，对Ｔ型接头进行三维动态模拟。
结果表明：随焊接速度的减小，热循环在高温时刻停留时间增加，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：ＴＧ４０２文献标识码：ＡＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＦｉｅｌｄａｎｄＳｔｒｅｓｓＦｉｅｌｄｏｆＴ－ｊｏｉｎｔＤＩＮＧＬｉｎ，ＺＨＯＵＹｏｎｇ－ｔａｏ，ＬＩＭｉｎｇ－ｘｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａ＇ａｎｓｈａｎ２４３００２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒａｉｎｆｉｅｌｄｄｕｒｉｎｇｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＳＹＳＷＥＬＤｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｉｓｍｏｄｉｆｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｏｏｌｓｕｐｐｌｉｅｄｂｙＳＹＳＷＥＬＤｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｔｈｅｒｍｏ－ｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｅｒｅｔａｋｅｎｉｎｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ．Ｔ－ｊｏｉｎｔｗｅｌｄｉｎｇｏｆｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌＸ５ＣｒＮｉ１８１０ｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄ３Ｄｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｃｅａｓｅｉｎｇｔｉｍｅｏｆｈｅａｔ－ｃｙｃｌｅｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄａｎｄｃｏｏｌｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙｉｓａｌｓｏｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｗｅｌｄｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙ．Ｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｄｉｓｔａｎｃｅ，ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓｉｓｔｒａｎｓｌａｔｅｄｉｎｔｏｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｔｅｎｄｓｔｏｚｅｒｏ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ；ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ；ｓｔｒａｉｎｆｉｅｌｄ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ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。
高强钢激光穿透焊熔池温度场数值模拟
收稿日期:2008-02-18第28卷第3期应 用 激 光Vo l.28,N o.32008年6月APPLIED LASERJune 2008高强钢激光穿透焊熔池温度场数值模拟陈军城, 俞海良, 芦凤桂, 唐新华(上海交通大学上海市激光制造与材料改性重点实验室,上海200240)提要 深入分析了激光焊接小孔传热模型的特点,选取指数衰减热源模型建立了高强钢激光穿透焊接熔池温度场三维数值模型。
利用A N SYS 有限元分析软件对激光焊接温度场进行数值模拟,并且通过CP800钢激光焊接试验验对模型进行了修正。
计算所得的熔池截面与试验结果吻合良好,这验证了本文所建高强钢激光穿透模型的可靠性。
关键词 高强钢; 激光焊接; 温度场; 数值模拟Num erical Simu lation for T empe ratu re Fie ld in Molten Pool of Dee p P enetration Laser W elding of High S trength S teelChen Juncheng , Y u H ailiang, L u F eng gui, T ang X inhua(Shanghai J iao Tong Univer sity Shanghai key Laborator y of Mater ials L aser Pr ocessing and Modif ication,Shanghai 200240,China )Abstract T he char acter of keyho le model in deep penetr atio n laser w elding is deeply analy zed.Based on that,the appro pr iate three -dimensional mathematical mo del fo r the t emperat ur e field w ere dev eloped accor ding t o an ex po nential attenuatio n heat -source mo del.By using AN SYS,laser welding temperature fields ar e simulated and the suitability o f the model w as mo dif ied by laser w elding of CP 800steel.Calculated r esult s fro m the models ar e found to agr ee w ith t he experimental r esults for the geome -try pr ofile of w eld,w hich has also validat ed the dependability o f the abov e -mentioned mo del.Key words H ig h st rength steel; laser w elding; temperature field; numer ical simulat ion1 引言激光焊接作为一门新的材料加工技术,与传统的焊接方法相比具有非接触、无污染、低噪音、高效率等优点。