基于SYSWELD的激光焊接溫度場仿真分析

王 鐵，孫智恩

（沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽110159）

基于SYSWELD的激光焊接溫度場仿真分析

王 鐵，孫智恩

（沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽110159）

在軟件SYSWELD中建立DP600雙相鋼激光搭接焊接模型，并加載高斯表面熱源對焊接過程進(jìn)行仿真模擬。得到了焊接接頭的溫度場分布和節(jié)點溫度循環(huán)曲線，結(jié)果顯示此次仿真分析對實際焊接具有指導(dǎo)意義。

SYSWELD；DP600雙相鋼；溫度場；有限元仿真

激光焊接具有效率高，焊縫深寬比大，焊縫熱影響區(qū)和殘余應(yīng)力較小，適應(yīng)性廣等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車制造等領(lǐng)域[1]。焊接是物理、冶金和力學(xué)等方面綜合作用的過程，無法精確地實驗測量焊接過程中的溫度場，通常情況下可以采用數(shù)值模擬的方法來研究焊接接頭溫度場[2]。

本文采用專業(yè)類焊接有限元計算軟件SYSWELD對DP600雙相鋼激光搭接焊接進(jìn)行仿真模擬，為實際焊接生產(chǎn)和焊接工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

1 材料和工藝參數(shù)

從SYSWELD材料庫中查閱DP600雙相鋼的化學(xué)成分及熱物理性能參數(shù)，如表1和表2所示。本文選用常溫下的熱物性參數(shù)進(jìn)行仿真。

表1 DP600雙相鋼的化學(xué)成分（wt%）

表2 DP600雙相鋼的熱物理性能參數(shù)

本文仿真所采用的工藝參數(shù)為，激光功率輸入為4 000 W，光斑直徑為0.6 mm，焊接速度為100 mm/s[3].

2 激光焊接溫度場仿真模擬

2.1 基本假設(shè)

本次仿真模擬主要做了以下基本假設(shè)：忽略熔池內(nèi)部流動；忽略高溫下金屬材料汽化和化學(xué)反應(yīng)的影響；認(rèn)為材料是均勻的并具有各相同性；假設(shè)導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容等熱物性參數(shù)不隨溫度改變而改變[4]。

2.2 熱傳導(dǎo)方程

激光焊接的熱能主要以對流和輻射的方式由激光束向工件傳遞，對激光焊接溫度場的分析以工件的熱傳導(dǎo)為主。

對于焊接過程溫度場的仿真模擬，其導(dǎo)熱基本微分方程為：

式中，ρ為密度；c 為比熱容；kx，ky，kz分別各向?qū)嵯禂?shù)；T為溫度分布；Q為焊接熱源內(nèi)熱源強度，由于焊接過程本身不產(chǎn)生熱量，即Q=0.

2.3 熱源選擇

焊接仿真采用的熱源模型主要有平面高斯熱源，雙橢球熱源等。當(dāng)焊件厚度較小時，采用高斯平面熱源模型進(jìn)行仿真能夠得到比較精確的結(jié)果。因此本文選用平面高斯熱源模型對材料為0.8 mm厚的DP600雙相鋼薄板搭接焊接進(jìn)行仿真。

高斯平面熱源采用高斯函數(shù)來描述工件平面上的熱流密度分布，其數(shù)學(xué)模型為：

式中，q（r）為距離光斑中心r處的熱流密度；qm為光斑中心熱流密度最大值；R為熱流分布特征半徑；P 為有效功率[5]。

本文的仿真模擬取熱流集中程度系數(shù)a=2，焊接初始溫度為20℃，熱對流交換系數(shù)為25 W/（m2·°C），有效功率取總功率的80%.

2.4 有限元建模及網(wǎng)格劃分

在軟件SYSWELD前處理模塊中建立仿真模型，尺寸為0.8 mm×20 mm×50 mm的兩塊DP600雙相鋼搭接。對模型整體采用較密的網(wǎng)格劃分，共生成節(jié)點229 372個，單元204 000個。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 焊接接頭瞬態(tài)溫度場分布

焊接過程中焊縫溫度場分布如圖1所示，以t=0.2 s時刻為例進(jìn)行說明。從圖中可以看出，熱源中心處的峰值溫度高于DP600雙相鋼的熔點，能夠?qū)崿F(xiàn)材料的熔合。當(dāng)焊接過程變成準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)之后，焊縫兩側(cè)會形成穩(wěn)定的溫度場。熱源中心前部溫度梯度大，等溫線密集，熱源后方遠(yuǎn)離熱源中心的區(qū)域，等溫線相對稀疏，其整體形狀與橢圓形相似。

圖1 t=0.2 s時刻接頭溫度場分布

3.2 焊接熱循環(huán)曲線

焊接線上的節(jié)點溫度循環(huán)曲線如圖2所示。從圖中可以看出，焊接開始時，工件處在室溫情況，節(jié)點溫度升高速度較慢，存在滯后現(xiàn)象，隨著焊接過程進(jìn)行，節(jié)點溫度升高的速度越來越快。節(jié)點溫度在短時間內(nèi)急劇升高，隨熱源中心的離開而迅速下降。當(dāng)節(jié)點溫度降低到一定值后，降溫曲線開始變緩，溫度逐步趨于平衡狀態(tài)，并且節(jié)點溫度循環(huán)的變化趨勢基本一致。

圖2 節(jié)點溫度循環(huán)曲線

4 結(jié)束語

仿真結(jié)果表明：焊接過程中的溫度場分布整體呈橢圓形，熱源中心處溫度高于DP600雙相鋼的熔點，可以進(jìn)行DP600雙相鋼的搭接焊接。焊接線上節(jié)點的溫度在短時間內(nèi)急劇升高，并且隨著熱源中心的離開而迅速下降，溫度循環(huán)曲線呈尖峰狀，結(jié)果符合激光焊接熱循環(huán)的特點。

[1]王 志，胡芳友，崔愛永，等.激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].新技術(shù)新工藝，2016（3）：42-44.

[2]王振光.基于SYSWELD鋼板對焊過程模擬仿真[J].電焊機，2014，44（7）：1-5.

[3]Steve Shi，Steve Westgate，車曉玲.車用高強鋼的激光焊接[J].金屬加工（熱加工），2008（14）：22-26.

[4]楊洪亮，金湘中，修騰飛，等.鋼/鋁異種金屬光纖激光焊接數(shù)值模擬[J].激光技術(shù)，2016，40（4）：606-609.

[5]劉 丹.激光焊數(shù)值模擬及實驗研究[D].南昌：南昌大學(xué)機電工程學(xué)院，2015.

Simulation Analysis of Laser Welding Temperature Field Based on SYSWELD

WANG Tie，SUN Zhi-en
（School of Automobile and Transportation，Shenyang Ligong University，Shenyang Liaoning 110159，China）

It established DP600 dual phase steel laser lap welding model in the SYSWELD and simulatd the welding process by Gaussian surface heat source.It obtained the temperature field distribution of welded joint and the node temperature cycling curve.The results show that this simulation analysis of the actual welding has a guiding significance.

SYSWELD；DP600 dual-phase steel；temperature field；finite element simulation

TG456.7

A

1672-545X（2017）10-0205-02

2017-07-24

王 鐵（1969-），男，遼寧沈陽人，博士后，研究生導(dǎo)師，研究方向：車輛現(xiàn)代設(shè)計與制造技術(shù)。