316LN不銹鋼激光焊接溫度場的數(shù)值模擬

唐蒙蒙　呂鵬　姚君山　張書權(quán)

[摘要]基于有限元軟件SYSWELD對不銹鋼316LN激光自熔焊接的溫度場進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)模擬，得出了瞬態(tài)溫度場分布圖和特征點(diǎn)的熱循環(huán)曲線。結(jié)果表明，激光起始焊時(shí)溫度瞬間就超過材料的熔點(diǎn)，焊接中最高溫度達(dá)到3300°C左右，進(jìn)入了深熔焊模式。

[關(guān)鍵詞]SYSWELD;316LN;激光焊接;溫度場;數(shù)值模擬

引言

316LN不銹鋼的激光焊接容易產(chǎn)生凝固裂紋、液化裂紋及局部應(yīng)力較大等問題，為了摸索出滿足要求的焊接工藝參數(shù)，焊前有必要對激光焊接展開數(shù)值模擬。SYSWELD是焊接專業(yè)類的典型代表之一，已被用于焊接數(shù)值模擬方面的研究;而目前激光焊多為不加填充金屬的自熔焊接，而焊接溫度場又是研究應(yīng)力應(yīng)變場的基礎(chǔ)，故深入研究激光自熔焊接溫度場是必要的。

一、有限元模型

（一）幾何模型

以316LN不銹鋼為焊接試板，其尺寸大?。?00×100×5mm，接頭為對接，采用不留間隙激光自熔焊方法，有限元網(wǎng)格模型如圖1所示，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，網(wǎng)格劃分采用非均勻形式，由于激光光斑小，在離焦量為+5mm時(shí)光斑直徑為0.5mm左右，即焊縫及附近區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.5mm，而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域，網(wǎng)格尺寸逐漸增加到2mm。

（二）熱源模型

熱源模型的建立是進(jìn)行焊接溫度場數(shù)值模擬的關(guān)鍵所在，以往基于激光焊接中小孔、等離子體與熔池特點(diǎn)等，先后出現(xiàn)了線性熱源、柱狀熱源、橢球、組合熱源及高斯圓錐形熱源等，帶錐形的三維高斯分布的熱源模型被認(rèn)為是最接近實(shí)際的激光焊接的熱源模型，因此采用3D高斯圓錐形熱源來對激光自熔焊接進(jìn)行模擬計(jì)算。

（三）邊界條件

進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，為防止計(jì)算中產(chǎn)生剛性位移，需要施加位移約束條件，而使計(jì)算不能收斂，但位移約束條件又不能嚴(yán)重阻礙焊接中的應(yīng)力自由釋放和變形?；谏鲜鲈?，則在試樣中間施加約束條件如圖2所示，這樣計(jì)算結(jié)果將與實(shí)際焊接相一致。

圖1有限元網(wǎng)格模型

圖2邊界約束條件

二、溫度場數(shù)值模擬結(jié)果及分析

（一）焊接溫度場分布特征

采用激光自熔焊方法，工藝參數(shù)：焊接速度為1.0m/min，激光功率為3500W。利用有限元軟件SYSWELD生成動(dòng)畫功能，可以顯示整個(gè)激光焊接過程中溫度場動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，如圖3所示，其中（a）、（b）為焊接時(shí)的云圖。

由圖3可知，激光自熔焊接時(shí)，焊縫各點(diǎn)瞬時(shí)溫度隨時(shí)間而改變。自焊接開始到0.06秒時(shí)，溫度迅速從常溫上升到2732°C，如圖3（a）所示，說明在焊接過程中，316LN試板吸收激光能后，通過激發(fā)帶電粒子的諧振以及粒子間的互相碰撞，光能轉(zhuǎn)換為熱能，這一過程是在瞬間完成的，因此激光自熔焊起始階段不存在未焊透現(xiàn)象，而傳統(tǒng)電弧焊起始階段往往有一小段未焊透缺陷，就是因?yàn)殡娀『笍氖覝氐侥覆娜埸c(diǎn)溫度需要一個(gè)過程。圖3（b）達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場，溫度從0.06秒以后迅速上升到最高溫度3300°C左右，超過了316LN的沸點(diǎn)2711°C，說明激光自熔焊時(shí)，母材表面在激光輻射下產(chǎn)生汽化，同時(shí)蒸汽產(chǎn)生反沖壓力作用，使得熔融金屬表面形成小孔凹陷，即形成激光自熔焊小孔焊接，然后進(jìn)入正常的激光深熔焊模式。

結(jié)語

第一，根據(jù)所建立有限元模型對溫度場的計(jì)算結(jié)果，激光起始焊時(shí)溫度瞬間超過材料的熔點(diǎn)，并很快進(jìn)入準(zhǔn)溫度場，最高溫度超過3300°C，激光焊進(jìn)入深熔焊模式，并證實(shí)了激光焊接在起始階段不存在未焊透現(xiàn)象。

第二，通過對溫度場云圖的計(jì)算結(jié)果，表明所建立的有限元模型是合理的，可以為焊接實(shí)際生產(chǎn)及焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化提供一定的指導(dǎo)意義。

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