14-5A06铝合金激光焊接热-相变耦合模拟研究

图 5 连续三节点温度场变化曲线分析
3.2 宏观相变模拟结果分析
图 4 焊接加热过程不同时间步温度场云图（t=10,20,30,40 时间步长）
从图中可以看出激光焊接温度场呈长椭球状， 在热源加载处沿 Z 向形成了一道长直且细小的深熔 焊缝，这与实验观察到的激光焊接形貌是相符的。 从模拟结果中可以看出激光焊接的熔深深，热影响 区小等特点。模拟激光焊接温度场的峰值温度为 1600℃左右，远远高于铝合金的熔点 660℃，实现 了深熔焊。激光焊接的开始阶段，随着组合热源的
焊后，在试件的横断面与焊接方向垂直面上制取金
相试样，金相试样用砂纸打磨，抛光，腐蚀后的试
样在电子显微镜下观察其焊缝形貌。
表 2 激光焊接铝合金焊接参数设定
编号
激光功率 （KW）
焊接速度（m/min）
1
2
2.5
2
2.2
2.5
3
2.4
2.5
4
2.5
2.5
圆锥体热源模型的组合热源模型，其模型见图 2。
2 焊接过程数值模拟分析 2.1 几何模型
CTP = yicC
(9)
Ti
yic 表示 i 时刻的相变分数，C 是对应的材料物性参
数
3 热-相变耦合模拟结果与分析 3.1 温度场分布
移动，铝合金焊件升温很快，温度变化剧烈，但还 未达到准稳定状态，熔池范围还较小。随着焊接时 间的增加，其温度趋于稳定，随着激光热源的移动， 焊接热源前方等温线密集，温度梯度变化较大，热 源后方等温线稀疏，温度梯度变化较小。熔池范围 慢慢扩大，焊接热影响区也慢慢扩大，沿焊缝向外 扩展。
（t/℃）
800 215
1086.8 0.452 30E9
14.85E-6
2.4 相变模型建立 焊接过程相变一般包括熔化、凝固和固态相变
的过程。焊接过程中的相变不仅影响焊接过程的诸 多过程，对焊接接头的性能有着极大影响。铝合金 的相变主要是扩散型相变，而 5A06 铝合金焊接过 程的相变为扩散型相变。在铝合金焊接热循环过程 中最主要发生的是 α 相和 β 相的转变，β 相会在 α 相的基体中弥散析出。由于没有完整的 5A06 的相 图，考虑到 5A06 是添加了 α 相稳定元素 Mg 形成 的铝合金，可以使用 Al-Mg 系相图作为初步研究的 参考。相图如 3 所示。
5A06 铝合金激光焊接热-相变耦合模拟研究
刘景涛 刘仁培 魏艳红 （南京航空航天大学， 南京 211100）
摘要： 激光焊接焊接铝合金的过程是一个非常复杂的过程，本文针对铝合金激光焊接过程建立了有限元模型。通过有限元的方
法模拟铝合金焊接的温度场、相变场及热-相变耦合场。相变会影响材料的热物性参数，从而影响焊接的温度场温度值，峰 值温度会有所降低，并且可以有效减少热循环曲线中的相变台阶，但不会改变温度场的形状。焊缝组织极其细小，焊缝组织 为 β 相在 α 基体相上弥散析出，焊接后室温组织为 α（Al）+β (Al3Mg2)。熔合区和热影响区都非常狭窄，组织过渡不明显。 热-相变耦合温度场为预测实际焊接情况提供参考，从而可以更好的发挥铝合金激光焊接的优势。 关键词：热-相变耦合，弥散析出，温度场有限元分析
选取结构件上选择同一直线连续的不同的几 组节点，对温度场的变化进行曲线分析如图 5 所示， 节点峰值温度超过 1500℃，远高于熔点，热源附近 温度较为集中，热源附近温度变化较大，符合激光 焊接的特点
通过设计的有限元软件以典型试件的焊接工 艺作为研究对象，即首先在 3mm 的试验中，选择 第 2 组试验参数进行模拟。模拟的结果如图 4 所示。
CTP f (T , F)
(8)
其中 F 是相转变分数。此时材料热物性参数不
再是简单的线性插值，而是考虑了相变的热物性参
数函数的插值计算。正是因为这样的耦合，使计算
过程的热物性参数更加接近实际，从而提高了温度
场有限元模拟的正确度。将相变时的相变组分引入
相应的函数中，具体的热-相变模型如式(9)：
在有限元模拟中大多数都采用三维体热源加面热 源的组合模型[51]。采用这种面体热源组合的方式， 具有较高的模拟精度，能够模拟出符合激光焊接钉 头状形貌的焊缝熔池形貌。采用高斯面热源模型和
c T

[ x
(
T x
)

y
(
T y
)

z
(
T z
)]

.
Q (3)
q = ������������(������������ − ������∞)
业等部门被广泛应用。Al-Mg 系铝合金具有较高的 强度、良好的腐蚀稳定性等特点，在高强度的轻型
1 试验材料及方法 1.1 实验材料及设备
结构中，例如民用航空机身等重点部位用其代替钢
本实验采用激光焊接了 Al-Mg 系的 5A06 铝合
铁材料，可大大减轻构件的质量。
金，其成分如表 1 所示，由于 Mg 元素的加入，在
(4)
q������ = εc(������������4 − ������∞4 )
(5)
式中：ρ是密度；c 是比热容；λ是热传导系数；Q
是热流量；q 是对流换热；qr 是辐射换热
2.3 材料热物性参数
材料热物性参数与温度场存在互相影响的关
系，在焊接过程中，往往存在剧烈变化的温度场，
对材料参数有着强烈的影响。材料在不同温度下的
相变动力学可以用来研究相变过程因材料的 相变而引起的材料性能和材料物性参数的变化。激 光焊接过程是个复杂的物理化学过程，必然伴随有
1.2 试验方法 本试验采用不开坡口直接对焊 100mm×50mm
×3mm 平板，由于板厚为 3mm，激光焊接热量集 中，则选择不填焊丝。焊接参数如表图 2 所示。用 砂纸进行打磨以去除氧化膜，然后用丙酮进行清洗。
exp(
3r 2 Mr 2
)
(2)
式中：P：激光功率；Qm：热流分布最大值；Mr： 高斯面热源半径
激光撞击金属表面，使金属熔化和蒸发，热传
图 1 5A06 铝合金试样几何模型
导是主要的传热方式公式(3)。工件表面主要是对流 和辐射换热导致的热量散失如式(4)和式(5)
2.2 热源模型与边界条件 目前，焊接热源模型主要是面热源和体热源，
用这种方式推出非等温的 JMAK 方程如式(7)。
f (Ti ) [1 exp(bi (t i )ni )]*F(Ti )
(7)
从式(7)中可以看出，如果计算时间步足够小，
则该模型就可以模拟连续相变。由于扩散型相变需
要时间，而相变时间远大于计算时间，因此这种近
似是可以成立的。
2.5 热-相变耦合模型建立
0 引言
材料的相变发生。相变的发生影响材料物性参数也
铝合金具有质量轻、比强度高、无磁性、耐锈 蚀、热稳定性好、易成形、可循环利用等优点，在 航空、航天、国防、化学工业、交通运输、石油工
必然影响焊接最终的温度场和变形的结果。然而， 实际对焊接过程和焊接相变过程进行定量计算存 在计算复杂和计算效率低下这两大方面的困难。
相变组织分数分布是宏观现象，相变的组织是 微观现象。两者的尺寸是不同的，根据相变动力学 内容，通过宏观相变模拟可以定性的判断宏观相变 分布，还可以为热-相变的耦合打下基础。焊接过程 的相变主要分为两个阶段，包括升温过程和降温过 程的相变场，通过激光焊接宏观相变模拟可以获得 相变分数，为耦合模拟提供相变场的主要参数，本 文主要对冷却过程中 α 相中析出 β 相的过程进行分 析。
故选用六面体网格进行划分，网格数量为 15000， 学公式如式(1)和(2)。
相对较多的网格数量可以增加计算的精确度。获得 规整的网格划分结果如图 1 所示。
QV

9Pe3 (e3 1) (ze
1 zi )(re2 reri
ri2 )
exp(
3r 2 r02
)
(1)
QS

3.0 Qm Mr2
近似看做是两相转变。其相变场模拟结果如图 6 所 α 相基体中弥散析出。在热源位置后，热源还未到
示。在加热过程中会有少量 β 相转变为 α 相，数量 达的位置，相变还没有发生。在 t=3.0s 时，焊接过
很少可以忽略不计，其主要相变是在冷却过程，由 程结束，可以看出在热源位置处，铝合金已经完成
α 相转变析出 β 相。初步用 Al-Mg 系相图分析可知， 了 β 相相变。在焊接热源的起始位置，温度场不稳
本实验采用的材料尺寸为 100mm×50mm× 3mm 的试件作为激光焊接温度场有限元模拟对象。 有限元模拟的第一步是离散化，首先需要进行空间 离散化，即将实际的焊接构件进行网格划分。本文 使用平板结构的对接焊接，几何形状并不是很复杂，
图 2 高斯面加圆锥体组合热源模型
在图 2 中，Ze 表示焊件上表面 Z 向坐标，Zi 表示焊件下表面 Z 向坐标，re 是焊件上表面的热源 半径，ri 是焊件下表面的热源半径，r0 是焊件任一 表面的热源半径。热源模型是依据实际热源的特点 和焊缝的具体形貌选取的，用来清晰准确的表达焊 接热输入的数学模型，圆锥体热源和高斯面热源数
表 1 5A06 铝合金成分组成（质量分数，%）
高，热输入低，热变形量小，熔化区和热影响区窄 而熔深大，冷却速度高而得到微细焊缝组织，接头
Mg Mn Ti Si Fe Cu Zn Al 5.8 0.5 0.02 0.40 0.40 0.10 0.20 余量 -6.8 -0.8 -0.1
性能良好。有研究表明在铝合金飞机机身制造中用 激光焊接技术取代传统的铆钉，从而减轻飞机机身 的重量近20%。
导热系数、比热容、热膨胀系数等如表 3 所示。
表 3 不同温度下材料的物性参数
温度（℃）
20
100
600