基于ANSYS的高硅鋁合金平板對接激光焊數值模擬

王鵬陸　何慶國

摘要：介紹目前國內外高硅鋁合金激光焊接的趨勢，詳細闡述ANSYS激光焊接有限元模擬的分析過程，從幾何模型的建立、網格劃分、定義材料屬性等方面介紹了前處理過程;從熱源的加載、生死單元技術、瞬態熱分析方面介紹了溫度場分析過程，獲得了焊接及冷卻過程溫度場分布情況;通過ANSYS后處理器得到了溫度場分布云圖;通過熱結構耦合過程得到了焊接瞬時應力分布。仿真得到的溫度場滿足焊接溫度需求，應力場分布會產生一定的形變。

關鍵詞：高硅鋁合金;網格劃分;體生熱率熱源;生死單元;通用后處理器

中圖分類號：TG457.14文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0123-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.22

0 前言

目前國內外在微波組件外殼封裝領域的焊接材料主要有Al、Cu、Mo、W、Kovar、Invar和W-Cu等，其中Kovar合金和Invar合金雖然熱膨脹系數較低，但其熱導率差、密度高、剛度低，不能滿足電子設備輕量化的要求。Cu與熱膨脹系數較小的Mo和W混合形成的復合材料雖然熱導率較高，但其密度過高，不宜作航空航天材料。Al 具有熱導率較高、密度較低、成本低及強度高等優點，可以采用較高含量的低熱膨脹系數顆粒進行復合，從而降低合金的熱導率，與半導體材料相匹配，因此新型高硅含量的硅鋁復合材料（常稱作高硅鋁合金）的出現引起了研究者的重視。高硅鋁合金熱膨脹系數為4.1～23.6×10-6/K，提高硅含量可顯著降低合金材料的密度及熱膨脹系數。同時，高硅鋁合金還具有熱導性能好，剛度較高，與金、銀、銅、鎳的鍍覆性能好，與基材可焊，易于精密機加工等優越性能。但高硅鋁合金焊接時常會出現裂紋等焊接缺陷，本文基于ANSYS有限元仿真軟件，期望得到一種適用于平板對接焊的焊接工藝。

通過ANSYS進行熱結構耦合分析，得到整個激光焊接[1-2]過程的溫度場和應力場動態變化過程，盡可能模擬實際焊接過程[3-4]，提供理論依據。ANSYS瞬態分析[5-6]主要步驟如下：（1）前處理（prep7），主要包括定義單元類型、定義熱分析物理參數和應力分析參數、建立幾何模型、劃分網格等;（2）求解，包括定義分析類型、定義求解選項、定義變量、激活生死單元、穩態分析、瞬態分析等;（3）后處理，包括通用后處理器POST1，可檢查整個模型在某一載荷步和子步的響應結果;時間—歷程后處理器POST26，檢查模型的指定節點的結果項隨時間頻率的變化情況，并將這些結果通過繪制曲線方式查看。

1 模型的建立

1.1 幾何模型的建立

有限元模型的主要要素是：節點、單元、實常數、材料的屬性、邊界條件和載荷。生成模型關鍵點，連接這些點生成線進而生成面，最后通過拉伸操作形成三維體模型。本次模擬采用兩塊規格為300 mm×150 mm×10 mm的高硅鋁合金平板拼接而成，其中一塊平板為CE11高硅鋁合金，其化學成分為w（Al）50%+w（Si）50%，另一塊平板為CE17高硅鋁合金，其成分為w（Al）73%+w（Si）27%，兩塊板拼接焊縫處采用角度為60°的V型坡口，其模型建立如圖1所示。

1.2 網格劃分

單元選擇應取決于分析問題的物理性質，選定的單元類型決定了問題的物理環境。熱分析單元[7]主要包括二維的PLANE55、PLANE35，三維的SOLID70、SOLID90，以及耦合場的SOLID5，熱分析單元采用SOLID70，結構分析時將單元類型轉為SOLID45。其中焊縫區采用網格尺寸5 mm的六面體網格，遠離焊縫區采用網格尺寸10 mm的六面體網格，中間過渡區域選擇網格尺寸10 mm的四面體網格，見圖2。

1.3 定義材料屬性

熱分析中，需要定義材料隨溫度變化的密度、熱傳導系數及比熱容等屬性，而結構分析中需要定義材料的彈性模量、屈服強度、切變模量、熱膨脹系數及泊松比等屬性，高溫時的材料屬性一般通過實驗及插值法獲得。其中CE11和CE17高硅鋁合金的熱分析參數如表1所示。

2 熱分析求解

2.1 非線性求解選項設置

焊接數值模擬是一個瞬態分析過程，因此對求解選項的設置決定了求解過程的準確性。在焊接數值模擬求解中一般采用如下命令流：（1）ANTYPE，4，設置分析類型為瞬態分析;（2）trnopt，full 完全瞬態積分法;（3）nropt，full，on，打開完全牛頓-拉普森選項，每進行一次迭代，就修正一次剛度矩陣;（4）lnsrch，on，打開線性搜索;（5）autots，on，打開自動步長;（6）kbc，0，連續性載荷;（7）neqit，50，規定每個子步中最大迭代次數。

2.2 熱源的加載

對于熱結構耦合分析，一般采用熱分析，即僅考慮溫度場對應力場的影響。先進行熱分析，得到焊接過程的溫度場分布，再將節點溫度作為載荷施加在結構分析中。熱源可分為集中熱源、平面分布熱源和體積分布熱源。考慮到焊接過程中產生的應力應變現象，試驗采用體生熱率熱源[8]，該熱源對于網格劃分細度的要求較寬松，適合模擬熔敷過程。體生熱率計算公式為

式中 K為焊接熱源的熱效率;U為焊接電壓;I為焊接電流;A為焊縫的橫截面積;V為焊接速度;DT為每個載荷步的時間。對于激光焊，熱效率K值取0.75，U=30 V，I=200 A，焊接速度v=0.01 m/s;DT=0.5 s，焊縫寬0.01mm、高0.01mm，可得出：橫截面積A=0.01×0.01×tan（30） m3，將式（1）代入ANSYS命令流中即可實現熱源加載。

2.3 生死單元技術

生死單元法[9]適用于大多數靜態和非線性瞬態分析中。在進行求解分析時，需對焊縫進行生死單元操作。在焊接開始前將焊縫單元“殺死”并在每一步熱應力計算時選擇對應溫度場的計算結果，超過熔點熔化的單元將其“殺死”，其單元載荷矢量設置為0矢量，而低于熔點的單元和超過熔點未熔化的單元將其“激活”，通過單元剛度乘以一極小的縮減系數（缺省值1e-6）來實現，命令流為EKILL。通過焊縫的“殺死”與“激活”操作，實現熱源在焊縫上移動的循環過程。

2.4 瞬態熱分析

在瞬態分析前需進行一步穩態分析操作，穩態分析設置模型初始溫度為25 ℃，模型外表面節點設置對流換熱系數，設置邊界條件下經一段時間后達到穩態效果，確保整個模型的節點具備初始溫度條件。穩態分析完成后進行瞬態分析，通過生死單元法來實現，選擇每一步的焊縫單元將其激活后施加體生熱率完成迭代，再次選擇該焊縫單元刪除施加的體生熱率，通過如下命令流實現：

將一個瞬態分析時間dT中熱源的加載通過do循環語句即可實現熱源在焊縫上的移動過程。在本次分析中，焊縫長0.3 m，焊接速度0.01 m/s，每個載荷步時長0.5 s，可得需循環60步完成焊縫焊接過程。同理，在不施加熱源的情況下繼續進行熱源的推移即可完成焊后冷卻過程。為了便于分析，試驗選取焊縫冷卻120 s至室溫。

3 溫度場后處理

瞬態分析求解完成后需對分析結果進行后處理以直觀地反應焊接過程中溫度場的變化情況。完成了求解過程后，通過輸入/POST1命令進入POST1通用后處理器[10-11]，在主菜單中選擇General Postproc|Plot Results|Contour Plot命令展開等值線圖繪制菜單項，選擇Nodal Temperature即可查看溫度場云圖，結果如圖3～圖6所示。

由圖3～圖6可知，焊接10 s后焊縫上最高溫度1 067.1 ℃，焊接20 s后焊縫最高溫度1 068.29 ℃，焊接30 s后焊縫達到最高溫度1 213.8 ℃，冷卻120 s后焊縫溫度為117.9 ℃。與硅鋁合金相圖（見圖7）熔點進行對比可知，CE17合金Si含量為50%，液相線溫度1 038 ℃，CE11合金Si含量27%，液相線溫度725 ℃，熔池溫度超過兩種合金熔點，能夠滿足焊接需求。

4 焊接應力場分析

溫度場分析完成后，通過etchg，tts命令來實現熱結構耦合，將溫度場分析中的瞬時溫度作為載荷施加到結構分析中，通過lumpm，0命令使用與單元相關的質量矩陣公式，nlgeom，on命令打開大應變選項，nropt，full，，on 采用牛頓拉普森方法，與溫度場分析方法相同采用do循環語句，定義彈性模量、切變模量、線膨脹系數和泊松比等屬性得到焊接過程中瞬時變形量及應力分布情況。

焊接30 s后應力場分布如圖8所示，可以看出，焊縫方向最大瞬時應力為0.236 MPa，垂直于工作平面方向最大瞬時應力為0.561 MPa，焊縫向兩側分布方向應力最大，達到1.21 MPa，產生形變。

5 結論

本文探討了焊接三維熱應力和殘余應力模擬分析技術，基于ANSYS軟件，通過熱結構耦合有限元分析方法對平板對接激光焊進行了有限元模擬，采用Do循環語句使體熱源沿焊縫方向移動。得到了焊接及冷卻過程的溫度場分布和應力場分布，焊縫上的溫度能夠滿足熔覆需求，焊縫向兩側分布應力最大，產生形變現象。

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