異厚度6005A鋁合金激光拼焊數值模擬

張天宇， 陳 華

（長春工業大學材料科學與工程學院，吉林長春 130012）

0 引 言

在當今運輸制造行業中，為了減輕運載工具的自重，越來越多地采用輕金屬材料提高運輸效率。而鋁合金具有塑性好、低密度、易于加工成形、耐大氣腐蝕及無低溫脆性轉變等諸多優點被廣泛應用于汽車輕量化、高速軌道客車等[1-3]。鋁合金激光拼焊是將若干不同大小型材的鋁合金進行自動拼合、焊接而形成一塊整體型材、板材、夾芯板等的主要方法。由于激光焊接是一種快速且不均勻的熱循環過程，焊縫附近會產生很大的溫度梯度，在整體結構中會出現由于溫度梯度造成的不同程度熱應力，這些都是影響焊接結構質量和使用性能的重要因素之一，因此，調節設置激光參數，使得鋁合金激光拼焊時能得到滿意的焊縫質量是一個前沿熱點問題[4]。

有限元的建模、邊界條件及載荷的合理設計及簡化是保證模擬激光拼焊焊接時，熱-結構耦合計算準確性的前提。激光拼焊時應力與應變產生的根本原因在于焊接過程中不均勻的加熱和冷卻，而對激光焊接溫度場的研究是分析激光焊接應力和應變的前提，溫度場模擬的準確性又取決于焊接熱源的模型。目前，絕大多數文獻對焊接溫度場的熱源加載進行了簡化處理，例如采用高斯熱源模型模擬電弧焊溫度場，又如采用高斯熱源及內熱源結合的方式對深熔焊溫度場進行模擬，此外還有雙橢球型熱源等其它熱源模型。但是這些簡化的熱源模型都忽略了焊接過程中金屬的填充，使得模擬結果必然會產生一定量的偏差[5-6]。ANSYS的高級應用“生死”單元技術可以很好地解決焊接時金屬的填充問題。利用“生死”單元法模擬鋁合金激光拼焊時金屬的熔敷過程無疑是對設計焊接工藝、減少焊接缺陷、控制焊縫成形質量具有重要的理論指導意義和實際應用價值[7]。

1 有限元分析模擬過程

1.1 熱源的模型

在異厚度鋁合金激光拼焊時，隨著光斑的移動，焊縫處的熔敷金屬以液態形式從下至上逐步填充焊縫直到焊接完成。由于激光是高密度的能量光束，因此，焊縫金屬從固態到液態的升溫時間極短，本實驗假設焊縫金屬的加熱升溫階段為0.01 s。通過文獻得知，焊縫表面金屬受到高斯熱源模型熱流密度，焊縫縱向深度為小孔模型熱流密度，因此，直接將焊接熔池金屬溫度假定為某一固定值（約為1 800～2 100℃），同時，由于激光拼焊的焊縫缺陷徑向尺寸較小，因此，將焊縫熔敷金屬溫度作均勻化處理。

在模擬焊接過程中，利用APDL語言編制子程序對焊縫單元按Z，Y，X從小到大的順序排序，使得模擬焊接時熔敷金屬從下到上逐步填充焊縫。求解計算前先將焊縫單元全部“殺死”，在后續求解過程中將焊縫單元按排列好的順序激活單元，同時對激活單元的節點施加溫度載荷。最后，當該激活單元在規定的焊接時間內完成計算后刪除該激活單元的載荷，再繼續依次激活單元加載直至焊接完成。

1.2 邊界條件

激光拼焊時熱能的損失主要是金屬表面跟空氣的對流換熱和熱輻射作用有關。隨著溫度的升高，熱輻射越來越強烈。這里把表面換熱系數（α）看成是對流換熱系數（αb）和熱輻射換熱系數（αc）的總和，即:

因此，邊界條件為:

式中:k——材料導熱率;

n——邊界表面外法線方向;

T——焊件表面溫度;

T0——周圍介質溫度，文中取20℃。

1.3 相變潛熱

焊接過程中熔敷金屬經歷了固態-液態-固態物理相變過程，在相變過程中又伴隨著吸熱與放熱的過程，可見相變潛熱會對溫度場造成一定的影響。可以采用等效比熱容法來計算相變潛熱的影響。

等效比熱容法是通過對比熱容量在材料的熔化溫度范圍內迅速上升或下降的變化來計算相變潛熱對結構熱焓值的影響。等效比熱容法按下式計算:

式中:C——不考慮相變潛熱時的比熱容;

Cβ——等效比熱容;

ΔT——凝固溫度范圍;

ΔQ——相變潛熱[8]。

1.4 光致等離子體和熔池對流的影響

在激光拼焊時等離子體位于工件表面上方，對激光束產生反射和折射作用，焊接時造成一定的能量損失，在模擬過程中適當地減小激光束的效率系數來考慮。

因為“生死”單元法是逐步激活焊縫單元，所以，熔池對流對溫度場造成的影響就通過增加有效液體熱傳導率來近似考慮對流的增強，即適當提高熔點溫度以上的導熱系數來近似地考慮熔池對流的影響。

2 有限元模型的建立

2.1 網格劃分

由于異厚度激光拼焊是非線性瞬態的熱過程，溫度變化范圍很大，因此，必須考慮鋁合金的力學性能隨溫度的變化而變化。對溫度范圍內未知的數值采用插值法進行估算，對溫度范圍外未知的數值采用外推法軟件自動運算取值，鋁合金力學性能見表1。

表1 鋁合金力學性能

模擬試件采用異厚度的6005A鋁合金試板，尺寸分別為200 mm×50 mm×4 mm和200 mm ×50 mm×3 mm。選擇 3D熱實體單元SOILD70和3D結構單元SOILD185。由于激光焊接是一種高密度的能量光束，有效加熱區域非常小，焊縫寬度也很小，假設焊縫寬度為1 mm。由于激光焊接時能量主要作用于焊縫，且熱影響區不是很大，因此，對焊縫中心附近采用密集型網格劃分以保證模擬計算時的精度。遠離焊縫熱影響區的地方由于溫度梯度不是很大，因此采用相對較大的網格，如圖1所示。

圖1 網格劃分

焊縫中心處非斜邊網格尺寸約為0.25 mm ×0.33 mm×1 mm。單元總數為4 680，節點總數為6 696。

2.2 測量點的選定

在薄厚板距端面100 mm，距焊縫中線3，8，13 mm處分別取3點A，B，C和A′，B′，C′，作為熱影響區的測量點。另在焊縫區距端面100 mm處取中心點H作為焊縫測量點，如圖2所示。

圖2 試件測量點分布

3 模擬結果

當激光的入射功率P0=2 500 W，焊接速度V=10 mm/s，激光光斑半徑R0=0.4 mm，熱效率η=70%時，得出以下數據及分析結果。

3.1 激光拼焊過程中的溫度場分布

不同焊接時刻的溫度場云圖如圖3所示。

當激光移動1 s后，試件上形成了準穩態溫度場。隨著熱源不斷地前移，前方未焊處也被稍許預熱，因此，每當熱源到達一處，溫度峰值不斷地達到新高。

圖3 不同時刻溫度場的云圖

焊縫中點H溫度循環如圖4所示。

圖4 焊縫中點H溫度循環

從圖4可以看出，由于鋁合金的導熱系數大，激光拼焊時焊縫處鋁合金升溫、降溫這一過程在很短的時間內完成。在激光將要到達前，溫度漲幅才將近200℃，而當熱源到達測量點H時，溫度瞬間上升到1 800℃以上，平均溫度梯度達到500℃/s以上。當熱源走后，又快速降溫到400℃左右再逐步緩慢降溫。

3.2 熱影響區的溫度循環

薄厚板測量點的溫度變化如圖5所示。

圖5 不同測量位置的溫度循環對比

從圖5（a）和（b）中可以看出，熱影響區測量點峰值不同，離焊縫中心位置越近的點，其能達到的最高溫度越高（A點為569℃，A′點為712℃）。同一試板越靠近焊縫中心位置的測量點，其從室溫升高到峰值溫度所需要的時間越短（A點為10.5 s，B點為11 s，C點為11.8 s）。從測量數據結果可以看出，鋁合金激光拼焊時熱影響區的溫度梯度非常大，最大處可達120℃/mm，較小處也達到了60℃/mm，這就造成了熱影響區的熱應力集中。薄厚板相同對應測量點各時刻的溫度都不相同（見圖5（c）），通過對比可以看出，薄板的溫度場范圍比厚板大，同一對應點的時刻溫度也高于厚板。這是由于在相同的熱輸入量時，薄板的加熱體積比厚板小，因此升溫、降溫皆略快于厚板，產生的溫度梯度也稍微大些，導致薄板熔池尺寸及熔化范圍都比厚板稍大些。

3.3 焊接應力場分布

激光拼焊5 s時應力場的等值分布云圖如圖6所示。

圖6 焊接5 s時應力場云圖

從圖6可以看出，異厚度6005A鋁合金激光拼焊時熱應力場分布規律與普通熔焊方法時的分布相似。整個焊接過程中焊縫區受到壓應力，母材區受到拉應力，這是因為在焊接過程中，焊縫金屬受熱膨脹，在膨脹過程中受到周圍母材的拘束，所以在焊縫區產生了壓應力。

不同測量位置的熱應力循環對比如圖7所示。

圖7 不同測量點熱應力循環對比

從圖7中可以看出，在熱源未到達時，熱應力逐步提升，熱源過后逐步降低，且焊縫中心受到的熱應力各個時刻都高于兩側。這是由于當熱源臨近及經過時焊縫中心的溫度梯度都高于熱影響的溫度梯度。在相同熱輸入量的情況下，由于薄板熔寬比厚板稍寬，溫度梯度略大，降溫稍快，所以薄板的塑性變形范圍略大于厚板，應力場的范圍及峰值都相應較大些。

4 結 語

1）激光作用一定時間后在焊件上形成準穩態溫度場。越是離焊縫中心近，溫度峰值就越高（焊縫中心處可達到1 812℃左右），且能到達峰值時間越短，最外緣為溫度最低處。熱源將要到達時，溫度梯度很大，達到500℃/s左右，熱源過后快速降溫。

2）薄板和厚板溫度場存在一些差異，薄板體積小，導熱快，使得薄板的溫度場范圍略大，熔池尺寸也比厚板稍大，薄板熔化范圍比厚板略大。

3）在溫度場的模擬結果基礎上，進行了應力應變場有限元分析，得出熱應力分布規律與普通熔焊方法時相似。薄板應力分布規律與厚板相似，但薄板熱應力場范圍及峰值稍大于厚板。

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