6061/5A06電子束焊接熱源模型研究

程圣 周鳳龍

摘要：主要基于有限元技術(shù)進(jìn)行模擬分析，確定材料參數(shù)，推導(dǎo)出熱源模型，高度還原了焊接過程中熔池形貌。

關(guān)鍵詞：電子束焊接;熱源模型;材料參數(shù)

0 引言

用數(shù)值模擬的方法來分析焊接過程關(guān)鍵在于獲取精確的溫度場(chǎng)，而熱源模型是否選取適當(dāng)，對(duì)瞬態(tài)焊接溫度場(chǎng)的計(jì)算精度，特別是在靠近熱源的位置，有很大的影響。電子束焊接和激光焊接屬于具有小孔穿透效應(yīng)的高能束焊接方法，由于焊接過程中伴有匙孔效應(yīng)，束流可以沿深度方向?qū)ぜM(jìn)行加熱，焊后形成深寬比較大的“釘頭”焊縫，在數(shù)值模擬中大多采用體熱源模型描述其焊接過程，已采用的熱源有雙橢球熱源，高斯分布的柱狀熱源，以及高斯旋轉(zhuǎn)體熱源等。與面熱源相比，體熱源考慮了深度方向上的熱源分布，因此可以得到更為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。在焊接過程中，由于工件與高能束有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得小孔形狀不再具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，而已有的體熱源模型，除了雙橢球熱源模型外，其它的熱源模型都是基于熔池前后對(duì)稱求得的，都沒有考慮熔池前后能量分布不均的問題，雙橢球熱源模型雖能體現(xiàn)出小孔的不對(duì)稱現(xiàn)象，但是它不能夠模擬深熔穿透效應(yīng)[1-3]。因此，建立一個(gè)基于高能束焊接深熔穿透及熔池的不對(duì)稱等特點(diǎn)的熱源模型對(duì)于該類焊接方法的準(zhǔn)確數(shù)值模擬具有重要的理論與實(shí)際意義。

1 材料參數(shù)的確定

由于焊接過程是一個(gè)高度非線性的熱力耦合過程，材料參數(shù)對(duì)于計(jì)算結(jié)果有著重要的影響。本研究所有材料包括6061-T651和5A06鋁合金，而材料的參數(shù)尤其是材料參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)的焊接變形的影響尤為顯著的，本研究在查閱相關(guān)文獻(xiàn)的條件下，并結(jié)合一定的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了與數(shù)值模擬相關(guān)的熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線、彈性模量與溫度的關(guān)系曲線、屈服強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線、熱傳導(dǎo)系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線及比熱與溫度的關(guān)系曲線，見表1-5。

應(yīng)該指出的是本研究把已有材料參數(shù)輸入到有限元分析程序中來，對(duì)于沒有數(shù)據(jù)的點(diǎn)采用線性插值的方法來獲得，從而使得所有溫度的材料參數(shù)均可獲得，從而保證有限元計(jì)算的順利進(jìn)行。

由于目前對(duì)于材料在高溫段的數(shù)據(jù)還十分不健全，國(guó)際上通用的處理有限元問題的方法是通過低溫段的材料參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)外推，以獲得高溫段的材料參數(shù)，本研究中也采用了這種通用做法，對(duì)于高溫階段的材料性能進(jìn)行外推，使有限元分析能夠順利進(jìn)行并使得計(jì)算結(jié)果收斂。

溫度對(duì)于材料的某些性能參數(shù)影響不是十分明顯，這里對(duì)于這些參數(shù)在各溫度下選擇相同的數(shù)值即這些參數(shù)取定值，5A06鋁合金密度2700Kg/m3、6061-T651鋁合金密度2680Kg/m3;泊松比取0.33。

2 熱源模型推導(dǎo)

本研究從電子束焊接的機(jī)理出發(fā)，基于電子束熱源模型的構(gòu)建思想，調(diào)整了以往熱源模型的熱流分布，使熱源的熱流主要集中于指狀熔深周圍，得到與實(shí)際熔池形貌相似度很高的電子束熱源模型。改進(jìn)的電子束熱源模型采用高斯?fàn)罘植嫉拿鏌嵩聪旅鎻?fù)合高斯旋轉(zhuǎn)體熱源，如圖1所示。

面熱源和體熱源的熱流密度分布函數(shù)分別為qs（x，y）和qv（x，y，z），在x-y平面上均符合高斯分布，為方便計(jì)算，將直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)系：

通過熱流密度函數(shù)在各自作用區(qū)域求積分，求解出熱源中心qvmax（z）為體熱源中心熱流密度最大值沿著z方向的變化關(guān)系，國(guó)內(nèi)外的研究文獻(xiàn)中對(duì)此定義各有不同，有線性變化和非線性變化兩種，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩類變化導(dǎo)致熱源模型的形貌稍有差異。本研究根據(jù)電子束焊接熱源特點(diǎn)，選用線性變化趨勢(shì)，一則焊接熔池內(nèi)部熱流密度集中分布符合電子束熱源特征，二則大大降低解析公式的復(fù)雜程度，便于熱源程序的實(shí)現(xiàn)。通過推到上面公式可得，體熱源公式為：

將熱源模型公式離散化，編譯電子束熱源子程序，在有限元計(jì)算軟件中建立模型，調(diào)用子程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2所示，通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比發(fā)現(xiàn)，所建立的電子束熱源模型高度還原了焊接過程中熔池形貌。

3 結(jié)論

本研究在分析電子束熔池尺寸特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的電子束焊接熔池形貌以及焊縫截面尺寸，首先進(jìn)行熱源模型的理論推導(dǎo)，從電子束能量分布特征和能量守恒定律及基本的數(shù)學(xué)假設(shè)著手，建立電子束焊接的理論模型，提出適用于平臺(tái)典型結(jié)構(gòu)電子束焊接熱源模型，高度還原了焊接過程中熔池形貌。

參考文獻(xiàn)：

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[3]楊建國(guó)，陳緒輝，張學(xué)秋.高能束焊接數(shù)值模擬可變新型熱源模型的建立[J].焊接學(xué)報(bào)，2010，31（2）：25-28.

（作者單位：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所）