316LN不銹鋼激光焊接溫度場的數值模擬

唐蒙蒙　呂鵬　姚君山　張書權

[摘要]基于有限元軟件SYSWELD對不銹鋼316LN激光自熔焊接的溫度場進行了三維動態模擬，得出了瞬態溫度場分布圖和特征點的熱循環曲線。結果表明，激光起始焊時溫度瞬間就超過材料的熔點，焊接中最高溫度達到3300°C左右，進入了深熔焊模式。

[關鍵詞]SYSWELD;316LN;激光焊接;溫度場;數值模擬

引言

316LN不銹鋼的激光焊接容易產生凝固裂紋、液化裂紋及局部應力較大等問題，為了摸索出滿足要求的焊接工藝參數，焊前有必要對激光焊接展開數值模擬。SYSWELD是焊接專業類的典型代表之一，已被用于焊接數值模擬方面的研究;而目前激光焊多為不加填充金屬的自熔焊接，而焊接溫度場又是研究應力應變場的基礎，故深入研究激光自熔焊接溫度場是必要的。

一、有限元模型

（一）幾何模型

以316LN不銹鋼為焊接試板，其尺寸大小：100×100×5mm，接頭為對接，采用不留間隙激光自熔焊方法，有限元網格模型如圖1所示，為節省計算時間，網格劃分采用非均勻形式，由于激光光斑小，在離焦量為+5mm時光斑直徑為0.5mm左右，即焊縫及附近區域網格尺寸為0.5mm，而遠離焊縫區域，網格尺寸逐漸增加到2mm。

（二）熱源模型

熱源模型的建立是進行焊接溫度場數值模擬的關鍵所在，以往基于激光焊接中小孔、等離子體與熔池特點等，先后出現了線性熱源、柱狀熱源、橢球、組合熱源及高斯圓錐形熱源等，帶錐形的三維高斯分布的熱源模型被認為是最接近實際的激光焊接的熱源模型，因此采用3D高斯圓錐形熱源來對激光自熔焊接進行模擬計算。

（三）邊界條件

進行應力計算時，為防止計算中產生剛性位移，需要施加位移約束條件，而使計算不能收斂，但位移約束條件又不能嚴重阻礙焊接中的應力自由釋放和變形。基于上述原因，則在試樣中間施加約束條件如圖2所示，這樣計算結果將與實際焊接相一致。

圖1有限元網格模型

圖2邊界約束條件

二、溫度場數值模擬結果及分析

（一）焊接溫度場分布特征

采用激光自熔焊方法，工藝參數：焊接速度為1.0m/min，激光功率為3500W。利用有限元軟件SYSWELD生成動畫功能，可以顯示整個激光焊接過程中溫度場動態變化規律，如圖3所示，其中（a）、（b）為焊接時的云圖。

由圖3可知，激光自熔焊接時，焊縫各點瞬時溫度隨時間而改變。自焊接開始到0.06秒時，溫度迅速從常溫上升到2732°C，如圖3（a）所示，說明在焊接過程中，316LN試板吸收激光能后，通過激發帶電粒子的諧振以及粒子間的互相碰撞，光能轉換為熱能，這一過程是在瞬間完成的，因此激光自熔焊起始階段不存在未焊透現象，而傳統電弧焊起始階段往往有一小段未焊透缺陷，就是因為電弧焊從室溫到母材熔點溫度需要一個過程。圖3（b）達到準穩態溫度場，溫度從0.06秒以后迅速上升到最高溫度3300°C左右，超過了316LN的沸點2711°C，說明激光自熔焊時，母材表面在激光輻射下產生汽化，同時蒸汽產生反沖壓力作用，使得熔融金屬表面形成小孔凹陷，即形成激光自熔焊小孔焊接，然后進入正常的激光深熔焊模式。

結語

第一，根據所建立有限元模型對溫度場的計算結果，激光起始焊時溫度瞬間超過材料的熔點，并很快進入準溫度場，最高溫度超過3300°C，激光焊進入深熔焊模式，并證實了激光焊接在起始階段不存在未焊透現象。

第二，通過對溫度場云圖的計算結果，表明所建立的有限元模型是合理的，可以為焊接實際生產及焊接工藝參數的優化提供一定的指導意義。

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