ANSYS在激光焊接温度场数值模拟中的应用
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第 $3 卷
第4期 3%%3 年 4 月
QNFOIH9O 6FNP9;< M:OS9;F
ZKN0$3 )K04 *FGI03%%3
专题综述
!+,-, 在激光焊接温度场数值模拟中的应用
吴祥兴! 胡伦骥! 杜汉斌! 胡席远
湖北 武汉 #$%%&#’ "华中科技大学 材料学院，
通过分析和总结激光焊接过程有限元模拟的研究现状， 综述了利用 ()*+* 进行激光焊 摘要： 接三维温度场有限元数值模拟中， 物理模型的建立和网格划分、 边界条件、 等离子体及熔池对流 等问题的处理。 激光焊接； 温度场； 数值模拟； 有限元 关键词： ()*+*； 中图分类号： 文献标识码： 文章编号： ,-#./0& ( 1%%123$%$"3%%3’%42%%%12%$
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前言
激光焊接由于其飞溅少、 热影响区小、 焊缝成 形美观等优点，在焊接领域得到越来越广泛的应 用。过去， 人们对激光焊接过程有限元数值模拟的 研究大多采用简化的二维模型 [1\， 采用三维有限元 数值模拟相对较少。 其原因是： 由于激光焊接的高能 密度特性使得焊缝及热影响区的网格尺寸要求相 当小， 因而模型的自由度数目庞大； 高度的非线性 导致求解过程收敛困难。 然而， 随着计算机技术和有 限元技术的不断发展， 以上困难正在被逐步克服。 基于其 ()*+* 是大型通用有限元软件之一。 自动网格划分功能， 尤其是自适应网格划分技术， 进行二次开发， 对于处理激光焊接数值模拟具有独 特的优势； 它强大的非线性分析功能可以有效地模 拟激光焊接非线性过程； 后处理器可以很方便地将 计算结果进行彩色等值、 矢量图和梯度等多种直观 显示[3\。 由于 ()*+* 的以上功能及其具有的可靠性 和开放性等特点， 应用该软件模拟激光焊接过程越
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蔡洪能， 唐慕尧 )SYT 焊接温度场的有限元分析&*()机械工 程学报， ’%%2 ， 0+-+.： 0510%)
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专题综述
吴祥兴等： !"#$# 在激光焊接温度场数值模拟中的应用
第%期
显示模型上各个节点的热循环曲线。
践 &3() 西安： 西北大学出版社， ’%%%)
!
结束语
对使用 !"#$# 大型有限元软件来分析和处理
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汪建华， 戚新海， 钟小敏)三维瞬态焊接温度场的有限元模 拟&*() 上海交通大学学报， ’%%2 ， 0,-0.： ’+,1’+4)
收稿日期： 3%%32%.2%5 作者简介： 吴祥兴"14&4—’， 男"土家族’， 湖北利川人， 在读硕士， 从事利用 ()*+* 进行激光焊接过程有 限 元 数 值
模拟研究工作。
来越引起人们的关注。 在此拟从激光焊接模型的建立、 热源处理 、 网 格化分等方面， 综述基于 ()*+* 的激光焊接过程 三维有限元数值模拟的一些关键问题。
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焊接热源的处理
聚焦激光束功率密度高， 被焊材料在极短的时
间内熔化、 汽化甚至蒸发， 从而形成小孔， 并出现激 光诱导的等离子体。 等离子体改变光束的聚焦状态， 吸收激光能量； 同时小孔的形成可使激光在小孔中 发生多次反射引起菲涅尔吸收， 从而大大提高材料 对激光的吸收率， 并使主要的激光能量作用在小孔 区域。 而且， 浮于工件表面及小孔上部的高温高密度 等离子体的作用， 使得焊缝表面存在一个“钉头” ， 即半球形的区域。 对激光热源的处理， 经历了从线状热源、 柱状 热源以及由点热源到球状热源、 椭球及双椭球热源 的演化过程。 为了更好地模拟激光焊接的实际情况， 国内部分学者采用线状热源叠加点状热源的方法 对激光焊接过程进行了解析计算%0&。 ’()*) 有限元 模拟大多采用 " 个热源的叠加来处理。 根据上述方 法计算出的热流强度， 作为面载荷或体载荷施加在 选定的节点或单元上。 激光焊接的热分析属于瞬态 传热分析， 热源的移动是将空间域离散到时间域上， 并设定一定的时间步长， 通过循环加载来处理%1&。
"
边界条件的处理
通过 ’()*) 命令将焊接工件的初始温度设为
环境温度； 由于对称性， 焊接的对称面考虑为绝热 边界条件， 其他各面均施加表面对流边界条件； 对于 焊缝高温区， 通过在实体单元表面覆盖一层表面效 应单元来考虑对流和辐射边界条件 。
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计算结果的后处理
结果的清晰、 直观显示也是激光焊接过程温度
$# 由于小的时间步长和较密的网格需要大的
计算机容量和长的计算时间， 目前， 只能作小的平 板激光焊接数值模拟， 至于较大构件的有限元模拟 还需要在模型的优化、 网格划分和自适应技术等方 面对 !"#$# 进行深入的二次开发； 辐射、 对流、 等离子体、 反射等对温度 %# 潜热、 场的影响以及 !"#$# 对这些问题的有效处理也有 待更深入的研究和开发。
&2( &4(
刘建华， 李志远， 胡伦骥， 等 )激 光 深 熔 焊 传 热 模 型 的 研 究 &*() 激光技术， ’%%4 ， ’%-’.： ’,1’5)
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光致等离子体和熔池对流的处理
影响激光焊接温度场的还有等离子体和熔池
金属对流等其他因素。 在实际焊接中， 熔池对流对 温度场的影响， 尤其是在焊接速度比较快的情况下 是不可忽略的。 熔化金属的流动对温度场所起作用 的探讨在很多研究中都涉及了， 主要是基于流体动 力学的基本公式的一些推导和薄板焊接熔池的计 算机模拟%>&。 对熔池对流的处理可以参考文献 %/@& ， 通过增加有效液体热传导率来近似考虑对流的增 强。 等离子体对激光深熔焊温度场的影响主要是通 过对激光能量的吸收和对光束的散焦， 为简化模型， 文献%/@& 、 %//&认为任何位置的金属只要其温度超过 材料的沸点， 则该处金属汽化， 但仍将其保留在模 型中， 以模拟小孔中等离子体的影响， 此时认为该 处金属处于一种虚拟的高温状态。
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式中
! 为热焓； " 为材料密度； " 为绝对温度 %3& ；
它是 温 度 的 分 段 线 性 函 数 ， %# ! $ 为材料的比热容， 在相变区变化较大， 将其考虑为等效比热容来处理 相变潜热。
$
材料热物理性能参数处理
焊接过程中的热传导问题是一个复杂的非线
性问题。 热物理参数如热传导率、 密度、 比热容等随 温度的变化而变化， 更由于焊接过程中塑性应变的 产生4 其结果必然是和过程相关的。因此， 需要建立 工程数据库4提供材料物理 特 性 、 传热和传质过 程参数等数据。 在 线 性 假 设 的 基 础 上 4 567896 和 与实验 *8:;<=6 给出了一个综合线性解析法 #/>>!$， 结果吻合较好%?&。 但得出的只是小局域范围内的瞬态 量。 在 ’()*) 中可以根据典型温度处的参数值建立 表格矩阵， 软件本身用插值法和外推法确定未知温 度处的值。
#
相变潜热的处理
激光焊接中存在着汽化、 熔化、 凝固等相变过
激 场有限元数值模拟的一个重要课题。 对于 ’()*)， 光焊接模拟结果显示用到的功能包括结果的彩色 云图、 等值线 # 面 $ 、 梯度、 矢量、 动画和图形的 AB,、
程， 相变潜热对温度场分析会产生一定的影响。
Leabharlann Baidu
’()*) 中处理相变潜热问题的方法是定义不同温
7
物理模型的建立和网格划分
对平板三维激光焊接有限元模拟， 由于工件的 对称性， ()*+* 中可以只取其中的一半进行建模， 如图 1 所示。
图1
平板三维激光焊接模型
激光焊接的能量密度非常高， 有效加热区域非 常小， 因而在网格划分时， 要求在焊缝附近采用很小
・
1
・
专题综述
第 !" 卷
的网格尺寸 # 为了达到求解精 度 ， 单元大小应该和 光斑大小相当$， 而在远离焊缝的区域可以选择较大 的网格尺寸%!&。 厚板的激光焊接模型， 由于其单元数 量非常庞大， 为了减少计算量， 还必须使用 ’()*) 提 供的自适应网格技术， 并修改 ’+’,- 宏， 使网格细 分区域只集中在焊接热源附近， 并随热源一起移动， 而其他部分则可以在保证精度的前提下保持较疏 如图 / 所示。 的网格 ，
度下的热焓。 其数学定义式为：
"
,)、 -CDD、 E,F 等格式的输出与转换等。,G)-/ 通用
后处理器用于观察整个模型或模型的一部分在某 一时间时的模拟结果， 可显示激光焊接时的等温线 和温度云图； 时间—历程后处理器 ,G)-"1 用于检 查模型中指定点的分析结果与时间的函数关系， 可
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激光焊接三维温度场数值模拟中遇到的诸如模型 的建立和网格划分、 热源的处理和移动载荷的施 加、 相变潜热以及等离子体和熔池对流等问题的方 法进行了综述。 但是， 使用 !"#$# 进行激光焊接数 值模拟的研究远未结束， 还需在以下几个方面得到 更进一步的研究： 有待 "# 材料 的 高 温 热 物 理 性 能 参 数 数 据 库 ， 进一步的实验加以丰富；
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通过分析和总结激光焊接过程有限元模拟的研究现状， 综述了利用 ()*+* 进行激光焊 摘要： 接三维温度场有限元数值模拟中， 物理模型的建立和网格划分、 边界条件、 等离子体及熔池对流 等问题的处理。 激光焊接； 温度场； 数值模拟； 有限元 关键词： ()*+*； 中图分类号： 文献标识码： 文章编号： ,-#./0& ( 1%%123$%$"3%%3’%42%%%12%$
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激光焊接由于其飞溅少、 热影响区小、 焊缝成 形美观等优点，在焊接领域得到越来越广泛的应 用。过去， 人们对激光焊接过程有限元数值模拟的 研究大多采用简化的二维模型 [1\， 采用三维有限元 数值模拟相对较少。 其原因是： 由于激光焊接的高能 密度特性使得焊缝及热影响区的网格尺寸要求相 当小， 因而模型的自由度数目庞大； 高度的非线性 导致求解过程收敛困难。 然而， 随着计算机技术和有 限元技术的不断发展， 以上困难正在被逐步克服。 基于其 ()*+* 是大型通用有限元软件之一。 自动网格划分功能， 尤其是自适应网格划分技术， 进行二次开发， 对于处理激光焊接数值模拟具有独 特的优势； 它强大的非线性分析功能可以有效地模 拟激光焊接非线性过程； 后处理器可以很方便地将 计算结果进行彩色等值、 矢量图和梯度等多种直观 显示[3\。 由于 ()*+* 的以上功能及其具有的可靠性 和开放性等特点， 应用该软件模拟激光焊接过程越
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焊接热源的处理
聚焦激光束功率密度高， 被焊材料在极短的时
间内熔化、 汽化甚至蒸发， 从而形成小孔， 并出现激 光诱导的等离子体。 等离子体改变光束的聚焦状态， 吸收激光能量； 同时小孔的形成可使激光在小孔中 发生多次反射引起菲涅尔吸收， 从而大大提高材料 对激光的吸收率， 并使主要的激光能量作用在小孔 区域。 而且， 浮于工件表面及小孔上部的高温高密度 等离子体的作用， 使得焊缝表面存在一个“钉头” ， 即半球形的区域。 对激光热源的处理， 经历了从线状热源、 柱状 热源以及由点热源到球状热源、 椭球及双椭球热源 的演化过程。 为了更好地模拟激光焊接的实际情况， 国内部分学者采用线状热源叠加点状热源的方法 对激光焊接过程进行了解析计算%0&。 ’()*) 有限元 模拟大多采用 " 个热源的叠加来处理。 根据上述方 法计算出的热流强度， 作为面载荷或体载荷施加在 选定的节点或单元上。 激光焊接的热分析属于瞬态 传热分析， 热源的移动是将空间域离散到时间域上， 并设定一定的时间步长， 通过循环加载来处理%1&。
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边界条件的处理
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环境温度； 由于对称性， 焊接的对称面考虑为绝热 边界条件， 其他各面均施加表面对流边界条件； 对于 焊缝高温区， 通过在实体单元表面覆盖一层表面效 应单元来考虑对流和辐射边界条件 。
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计算结果的后处理
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刘建华， 李志远， 胡伦骥， 等 )激 光 深 熔 焊 传 热 模 型 的 研 究 &*() 激光技术， ’%%4 ， ’%-’.： ’,1’5)
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光致等离子体和熔池对流的处理
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金属对流等其他因素。 在实际焊接中， 熔池对流对 温度场的影响， 尤其是在焊接速度比较快的情况下 是不可忽略的。 熔化金属的流动对温度场所起作用 的探讨在很多研究中都涉及了， 主要是基于流体动 力学的基本公式的一些推导和薄板焊接熔池的计 算机模拟%>&。 对熔池对流的处理可以参考文献 %/@& ， 通过增加有效液体热传导率来近似考虑对流的增 强。 等离子体对激光深熔焊温度场的影响主要是通 过对激光能量的吸收和对光束的散焦， 为简化模型， 文献%/@& 、 %//&认为任何位置的金属只要其温度超过 材料的沸点， 则该处金属汽化， 但仍将其保留在模 型中， 以模拟小孔中等离子体的影响， 此时认为该 处金属处于一种虚拟的高温状态。
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材料热物理性能参数处理
焊接过程中的热传导问题是一个复杂的非线
性问题。 热物理参数如热传导率、 密度、 比热容等随 温度的变化而变化， 更由于焊接过程中塑性应变的 产生4 其结果必然是和过程相关的。因此， 需要建立 工程数据库4提供材料物理 特 性 、 传热和传质过 程参数等数据。 在 线 性 假 设 的 基 础 上 4 567896 和 与实验 *8:;<=6 给出了一个综合线性解析法 #/>>!$， 结果吻合较好%?&。 但得出的只是小局域范围内的瞬态 量。 在 ’()*) 中可以根据典型温度处的参数值建立 表格矩阵， 软件本身用插值法和外推法确定未知温 度处的值。
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相变潜热的处理
激光焊接中存在着汽化、 熔化、 凝固等相变过
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物理模型的建立和网格划分
对平板三维激光焊接有限元模拟， 由于工件的 对称性， ()*+* 中可以只取其中的一半进行建模， 如图 1 所示。
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平板三维激光焊接模型
激光焊接的能量密度非常高， 有效加热区域非 常小， 因而在网格划分时， 要求在焊缝附近采用很小
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