激光加工数值模拟技术研究现状

激光焊接数值模拟技术研究现状

摘要：介绍了激光焊接数值模拟技术在激光焊接温度场分析、激光焊接应力应变分析、激光焊接熔池流动场分析、激光焊接接头微观组织分析方面的研究现状, 并对激光焊接数值模拟技术在这几方面的模拟方法、原理及模型的建立进行了较为详细的介绍。最后, 对我国焊接数值模拟技术的发展进行了展望。

关键词：激光焊接数值模拟温度场应力应变熔池模拟接头

1.引言

激光焊接是利用高能量的激光光束作为热源照射到材料表面从而使材料汽化、熔化并冷却结晶形成焊缝的一种先进焊接方法。由于具有高能量密度，高效率，高精度，柔性好等优点，激光焊接受到了广泛的重视，并且已经应用到了航天航空，汽车制造等材料加工的领域。

随着激光焊接应用的增加，人们对激光焊接过程的研究也更加重视。在计算机仿真技术应用于焊接学科之前，人们为了某些材料制定合适的激光焊接工艺，往往需要进行大量的实验，耗费大量的物力人力财力。因此，建立激光焊接的数学模型并对激光焊接进行全过程的模拟仿真，对于预测焊接结果，实现激光焊接工艺参数预选和优化，减少工艺试验次数，甚至控制激光焊接过程，防止出现焊接缺陷都具有十分重要的意义。

2.焊接数值模拟发展历史

焊接过程的数值模拟研究由来已久。70年代，有限元法逐渐在焊接温度场分析计算中使用。1975年，加拿大的Poley和Hibbert提出利用有限元法研究焊接温度场，并编制了简单的温度场计算程序。1976年，Krutz在博士论文中专门研究了利用焊接温度场预测接头强度的问题[1]。随着80年代末90年代初，热弹塑性计算理论的逐步完善，焊接应力应变的数值模拟也逐渐发展起来并日益成熟。同时，计算机技术的发展也为焊接数值模拟提供了更有力的支持，使人们能够进一步对激光焊接的接头组织，熔池流动等进行更深入的数值模拟研究。

3.激光焊接温度场数值模拟

焊接过程中会产生温度场, 对其数值模拟的研究已广泛应用到焊接领域。焊接构件时会出现很多情况, 例如裂纹、凝固等。对不均匀温度场的数值模拟, 可以更好地研究其产生的原因及对其他性能的影响。

3.1 数学模型的建立

焊接时，焊件各点的温度会随着热源的移动和时间的变化而变化。焊件上个点在瞬时的温度分布称为焊接温度场。焊接过程属于动态热传导过程，因此对于该过程的研究，重点是对焊缝处材料温度变化的规律，所以可以只考虑热传导而忽略对流等特殊状况对温度场进行计算。作为三维热传导问题，其控制方程为：

()()()x y z T T T T c k k k Q t x x y y z z

ρρ∂∂∂∂∂∂∂=+++∂∂∂∂∂∂∂ （2-1） ------------------t------------------------------------T------------------Q-----------------,,---------x y z c k k k ρ焊接材料的比热容

时间

材料密度

温度场场变量

物体内部热源密度

材料沿物体三个主方向的导热系数

对于上述方程，通过给定温度场的边界条件，利用有限元法对结构进行离散，建立有限元模型，求得有限元方程，然后进行求解。

对于瞬态热传导问题，在能量守恒理论的基础上，瞬态的有限元求解方程可以表示为：

dT C KT P dt

+= （2-2） -----------------------------------------------------C K P T 热容矩阵

热传导矩阵

温度载荷列阵

节点温度列阵

这是一组以时间t 为独立变量的线性常微分方程组，通过引入初值，对其求解可以得到相应的温度场计算结果。

3.2 热源模型的选取

20世纪70年代以来,上田幸雄等人提出了考虑材料力学性能与温度有关的2维和3维焊接热弹塑性有限单元法，并发展成为一门新的学科“计算焊接力学”。他们对多道焊、角焊和圆周型压力容器焊接的残余应力和变形进行了3维热弹塑性有限元分析，并得出了满意的结论。此后，他们又发展了以固有应变作参数的2维和3维焊接残余应力的预测和测量方法，并且利用固有应变法分析T形、工字形焊接截面及平板多道焊焊接接头的残余应力。在70年代中期，用有限元建立计算二维温度场的模型得以实现，为以后的温度场模拟技术奠定的基础。在90年代，Lelingdren和Lkarlsson采用了壳单元对平板对接焊缝和薄壁管道环焊缝的残余应力进行研究，Bachorski等提出了收缩体积法的焊接变形有限元预测理论。20世纪90年代以来，人们开始用连续统力学的理论研究焊接问题，这样就为焊接过程数值模拟建立统一的模型。

4.2 存在的若干问题

焊接过程的应力与变形数值模拟虽然取得了很大进展，但是由于焊接工艺的复杂性，该项技术仍然存在很多问题。首先在理论研究等基础性工作方面还需要进行大量的工作，例如建立科学而精确地物理模型等。其次相应的检测技术和实验条件也有待提升。下面简单论述焊接应力与变形数值模拟存在的主要几个问题。

1.材料热物性参数数据较少

焊接过程是一个复杂的热弹塑性变化过程，温度变化区间大，材料组织性能变化大。因此，在进行焊接应力与变形数值模拟的时候，往往需要获取各温度区间的材料物性参数，实现有限元模型的精确计算。当前，对于低温区间的材料参数已经获得了较多可靠的数据，但是对于高温区间的材料参数研究还比较少，在实际处理中我们只能采取近似的方法，使得模拟结果准确性有所降低。同时，对于可能发生的相变，也需要考虑在模型之中。相变对于金属应力与变形的影响是不能够被忽略的，当前模拟技术对于这方面的处理也有所欠缺。最后，对于材料温度在熔点以上的部分，还需要加入流体力学的相关的处理方法。

2.边界条件的施加存在问题

目前焊接应力与变形数值模拟对于边界条件的施加存在一些随意性。主要体现在：位移边界条件的施加主要以固定的节点为主，而在具体的设定时主要的考