基于ANSYS的D500鋼激光焊接溫度場數值模擬

許新猴，趙小強，翟文剛，康澤軍，李先芬，周偉，2

（1.合肥工業大學材料科學與工程學院，合肥230009;2.新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院，新加坡 639798）

激光深熔焊接過程包含著一系列復雜的物理、化學變化，表現出復雜、快速且受多參數影響的特點［1—4］。焊接溫度場的變化反映了焊接過程中的熱變化，其對焊接質量有著至關重要的影響。隨著人們對激光焊接工藝的不斷認識，研究焊接的方法也變得多種多樣。焊接過程的數值模擬一直都被認為是一種前沿且能夠快速重現整個過程的方法，也是近幾年研究的重點。盡管前人對激光焊接過程已經有了一些研究，但是在對激光深熔焊接過程的數值模擬仍存在一定的局限。隨著社會的進步、科學技術的發展，人們越來越重視焊接質量和焊接生產效率。有限元技術和焊接技術的飛速發展，為數值模擬技術提供了有力的工具，焊接溫度場的研究和殘余應力的分布情況可以采用數值模擬方法進行分析，這樣就可以省去大量的實驗，從而可以大大節省人力、物力和時間，具有很大的經濟效益［5，7，9］。D500 鋼作為一種低合金高強鋼，具有高強度、高韌性的特點，重量低，生產工序簡單，蠕變速率低，使用壽命長，承載能力高，運輸費用低，整體成本較低，被廣泛應用于船舶工業、橋梁鋼構、航空航天等領域［6，10］。低合金鋼在世界范圍內需求的不斷提高使得其在焊接結構件上的應用越來越普遍，對焊接質量和焊接效率的要求也越來越高。目前，針對D500鋼激光焊接數值模擬的研究較少，因此，D500鋼激光焊接過程溫度場模擬對實際生產具有一定的指導意義。

1 激光焊接試驗

試驗選用厚度為5 mm的D500低碳調質鋼平板，其化學成分如表1所示。采用波長為1.06 μm的光纖激光焊機，焊接裝置如圖1所示，通過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。焊接試驗結束后，對試樣進行線切割、打磨、拋光、腐蝕，獲取接頭截面宏觀試樣，測量焊縫表面尺寸。

圖1 激光焊接裝置Fig.1 Laser welding device

表1 D500鋼的化學成分（質量分數）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稱的幾何平板形狀，幾何形狀和載荷分布關于焊縫中心線對稱。為了簡化計算，便于分析模擬，通常取一半進行分析，因此建模時僅需建立實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

進行焊接溫度場分析，首先要確定熱物理性能參數:導熱系數（W/（m·℃））、對流換熱系數（W/（m2·℃））、密度（kg/m3）、比熱容（J/（kg·℃））、熔點（℃）以及焊件的初始溫度（℃）。材料的熱物理性質對焊接溫度場分布及焊縫成形有著十分重要的影響，其數值直接影響溫度場的形態和大小［11—12］。除了材料的熔點（D500鋼熔點約為1500℃）和工件的初始溫度（20℃）是常數外，材料的其他屬性參數都是溫度的函數。D500鋼熱物理性能參數［5，14］見表2。

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

2.3 建立熱源模型

要對激光焊進行數值模擬，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）橢球熱源模型函數公式:

式中:a，b，c分別為橢球的半軸長。

2）柱體熱源模型函數表達式:

式中:r0為熱源徑向分布參數;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節系數。

2.4 初始條件與邊界條件

將焊接試樣的初始溫度設置為環境溫度，即室溫20℃。焊接過程中，焊件與外界同時存在著對流和輻射。由于焊接過程的對流和輻射過程非常復雜，因此為了簡化整個計算過程，采用一個總傳熱系數，即為 20 W/（m2·K）。

3 結果及分析

3.1 激光焊接接頭宏觀金相

焊接試驗結束后制取接頭截面宏觀試樣并測量焊縫表面尺寸。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程中匙孔效應導致金屬元素的蒸發所致。

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 模擬結果分析

焊接過程中焊件表面溫度場分布如圖4所示。由圖4可知，在焊接過程中的整個溫度場變化情況都是經歷了一個從非穩態到準穩態再到非穩態的過程。加熱開始一段時間內，溫度很不穩定，而且焊件升溫迅速，經過一段時間后，焊件上會形成準穩定溫度場，即焊件上各點的溫度雖然隨時間變化，但各點固定的溫度跟隨熱源一起移動。進入準穩定狀態后，激光焊接溫度場模擬結果為一組以焊接方向為長軸的橢圓，光斑中心前半部等溫線較密、后半部較疏，越遠離光斑中心越稀疏，說明前半部的溫度梯度大、后半部的溫度梯度小，越遠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時刻的熱循環曲線?？梢钥闯?，焊接過程中試板經歷了一個快速升溫和緩慢降溫的過程，且最高溫度已經遠遠高于材料的熔點，因此，實際焊接時在中心部位不可避免地要發生一定的變化，由于溫度梯度大，引起材料的熱膨脹系數不同，容易在焊縫周圍產生過大的應力應變，從而容易產生缺陷。

圖5 縱截面方向在4 s時刻的熱循環曲線Fig.5 Thermal cycle curve in the longitudinal section direction at 4 s

3.3 模擬結果與實驗結果的比較分析

圖6為有限元模擬的焊接熔池邊界與實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。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是較合理的。

圖6 模擬焊縫形狀與實驗焊縫形狀對比Fig.6 Comparison of the simulated and experimental weld seam shape

4 結論

1）針對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D500鋼激光焊接溫度場進行模擬分析，并與實驗結果進行了對比，證明了實驗結果與模擬結果吻合較好。

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