激光焊接金剛石鋸片溫度場(chǎng)模擬分析

張巍 段夢(mèng)珍

摘 要：根據(jù)金剛石鋸片結(jié)構(gòu)及激光焊接特點(diǎn)，本文建立了基于高斯面熱源與體熱源組合的面-體移動(dòng)熱源模型。同時(shí)，對(duì)不同厚度、不同材料的金剛石鋸片進(jìn)行了復(fù)合熱源焊接溫度場(chǎng)的模擬，并得出激光焊接參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，通過(guò)對(duì)熔池截面的分析，初步優(yōu)化焊接參數(shù)。

關(guān)鍵詞：激光焊接;金剛石鋸片;溫度場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TG456文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）08-0137-04

Simulation Analysis of Temperature Field of Laser Welded Diamond Saw Blade

ZHANG Wei DUAN Mengzhen

（School of Information and Business， Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou Henan 450007）

Abstract： According to the structure of diamond saw blade and the characteristics of laser welding， a surface body moving heat source model based on the combination of Gaussian surface heat source and body heat source was established in this paper. At the same time， the temperature field of composite heat source welding was simulated for diamond saw blades of different thicknesses and different materials， and the influence of laser welding parameters on the temperature field was obtained， and the welding parameters were initially optimized by analyzing the cross section of the molten pool.

Keywords： laser welding;diamond saw blade;temperature field

隨著激光應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，激光焊接技術(shù)由于其熱影響區(qū)小、焊接變形小及焊接深寬比高等特點(diǎn)應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-3]，特別是在金剛石工具的焊接中。金剛石工具一般由不同厚度、不同材料的基體與刀頭焊接而成，焊接結(jié)合強(qiáng)度要求較高。激光焊接金剛石工具的結(jié)合強(qiáng)度有很高的提升，同時(shí)由于其熱變形小，尺寸精度也大大提高。

本文利用ANSYS軟件，以金剛石鋸片激光焊接為研究對(duì)象，采用面熱源與體熱源的組合熱源模型，對(duì)激光焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元分析。其間分析了焊接功率、焊接速度和溫度場(chǎng)的關(guān)系，根據(jù)焊縫熔池的變化，得出較好的焊接參數(shù)。

1 模型建立

1.1 金剛石鋸片

金剛石鋸片主要由刀頭和基體兩部分構(gòu)成。金剛石鋸片基體一般采用間斷式周邊基體，以便將切削時(shí)所產(chǎn)生的切削熱及石粉及時(shí)排走。作為鋸齒的主體及連接設(shè)備上的剛性部件，基體材料必須具有強(qiáng)度高、不易變形、耐沖蝕等特性。在激光焊接中，基體材料一般選用低碳鋼制作，目前主要采用35CrMo、30CrMo、28CrMo等種類的低碳鋼。

金剛石刀頭由摻有金剛石顆粒的金屬粉末燒結(jié)而成，由于金剛石在高溫條件下的激光焊接中容易石墨化，因此，為了保證焊接質(zhì)量，在刀頭與基體連接處加入1.5～2 mm的過(guò)渡層。過(guò)渡層必須要保證焊接強(qiáng)度、焊縫

質(zhì)量、合理燒結(jié)溫度[4-5]。對(duì)于不同基體，過(guò)渡層配方也不相同。本文以350型號(hào)金剛石鋸片為例進(jìn)行模擬分析，350型號(hào)金剛石鋸片結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由以上分析可知，金剛石鋸片具有以下特點(diǎn)：金剛石鋸片刀頭和基體屬于異種材料;金剛石鋸片刀頭和基體厚度不相同;焊縫軌跡為曲線。

1.2 實(shí)體建模

金剛石鋸片基體及刀頭材料的參數(shù)設(shè)定如表1所示。

350型圓鋸片由一個(gè)底座和24個(gè)切割頭組成。一個(gè)切割頭的焊接是一個(gè)焊接過(guò)程。由于激光焊接的熱影響區(qū)較小，因此該仿真模型由一個(gè)切割頭和與之焊接的部分底座組成。刀頭厚度為3.2 mm，基體厚度為2.4 mm。

1.3 網(wǎng)格劃分

由于主要進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，因此選用SOLID70單元類型，采用映射網(wǎng)格劃分。激光焊接過(guò)程熱影響區(qū)較小，同時(shí)升溫降溫過(guò)程時(shí)間較短，溫度梯度比較大，在模擬分析過(guò)程中，對(duì)焊縫區(qū)域的網(wǎng)格劃分相對(duì)較細(xì)，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域網(wǎng)格可適當(dāng)粗些。模型網(wǎng)格劃分如圖2所示，在焊縫區(qū)域，網(wǎng)格單元格為1 mm。

2 溫度場(chǎng)計(jì)算分析

2.1 熱源模型

350型號(hào)金剛石鋸片的激光焊接屬于深熔焊，熱源模型選擇使用面-體組合熱源模型，即面熱源和體熱源疊加作用最終使焊縫成形。本次溫度場(chǎng)模擬的面-熱源模型為上表面呈高斯分布的熱源，中間部分為一圓柱體熱源。

兩部分（移動(dòng)面熱源和移動(dòng)體熱源）的熱源模型可分別表示為：

[qr=3QmπR2exp-3r2R2]? ? ? ? （1）

[qr，z=6QvπR2exp-3r2r1z2-3zh]? ? ? （2）

式中，[Q]為熱源的總有效功率，[Q=Qm+Qv];[R]為熱流作用有效半徑;[h]為熱流作用有效深度;[z]為當(dāng)前能量作用深度;[r1z]為體熱源半徑衰減函數(shù)，[r1z=h+zh]。

2.2 邊界條件

由于邊界溫度與外界溫度的差異，焊接件與周圍介質(zhì)之間的傳熱包括對(duì)流換熱和輻射換熱。輻射換熱的計(jì)算方法不同于對(duì)流換熱的計(jì)算方法。為了便于計(jì)算，將兩種傳熱方式結(jié)合起來(lái)考慮?？倐鳠嵯禂?shù)可以表示為：

[q0=βc+βeT-T0]? ? ? （3）

式中，[T]為焊件表面溫度;[T0]為周圍介質(zhì)溫度;[βc]為對(duì)流換熱系數(shù);[βe]為輻射換熱系數(shù)。

環(huán)境初始溫度設(shè)定為20℃，激光熱源區(qū)域采用總傳熱系數(shù)加載，其他表面采用對(duì)流傳熱系數(shù)加載[6-8]。

2.3 加載及求解

本研究采用APDL實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)熱源加載循環(huán)，通過(guò)焊接軌跡確定熱源的位置和尺寸。在模擬過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，熱源的位置會(huì)移動(dòng)到下一個(gè)加載步驟，然后刪除上一個(gè)加載步驟中的熱源，即利用過(guò)載加載步驟的循環(huán)來(lái)完成移動(dòng)熱源的加載，從而實(shí)現(xiàn)焊接模擬。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 溫度場(chǎng)分布特征

當(dāng)激光功率[P]=1 400 W，焊接速度[V]=1.2 m/min時(shí)，溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的分布如圖3所示。

焊接過(guò)程中，熱源周圍溫度梯度大，溫度場(chǎng)不均勻，等溫線呈圓形，隨熱源沿焊縫移動(dòng)，同時(shí)溫度場(chǎng)一同移動(dòng)。當(dāng)?shù)额^與基體上光斑分不相同且在對(duì)接中心線上，同時(shí)所加載的熱流密度也相同時(shí)，刀頭和基體上的溫度場(chǎng)并不對(duì)稱，基體上的溫度場(chǎng)范圍更小。

圖4為基體截面上，熔池截面的溫度場(chǎng)分布，呈酒杯狀。由熔池形狀效果可以看出，體-面熱源模型適合分析金剛石鋸片激光焊接溫度場(chǎng)的模擬。本次模擬主要分析溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，故在分析過(guò)程中忽略了熔池金屬的流動(dòng)。

圖5為焊縫中心線上5點(diǎn)的上表面熱循環(huán)曲線。在整個(gè)焊接過(guò)程中，熱源經(jīng)過(guò)時(shí)焊縫中心各點(diǎn)的溫度變化，升溫和冷卻速度非?？欤逯禍囟群芨?，各點(diǎn)峰值溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于焊件熔點(diǎn)。由于熱量飽和積累，后經(jīng)過(guò)的點(diǎn)的溫度峰值略高于前面點(diǎn)的峰值。同時(shí)，焊縫中心各點(diǎn)溫度梯度很大，只需要0.2 s左右時(shí)間即可到峰值溫度。

3.2 焊接工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響分析

3.2.1 激光功率對(duì)溫度場(chǎng)的影響。圖7為焊接速度相同時(shí)，一點(diǎn)在不同激光功率下的溫度循環(huán)曲線。選取焊接速度[v]=1.2 m/min，激光功率分別為1 400、1 600、1 800 W。

由圖6可看出，當(dāng)焊接速度相同時(shí)，在相同時(shí)刻，同一點(diǎn)溫度隨著激光功率的增大而變高，達(dá)到的峰值溫度也越高。但過(guò)高的激光功率同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的等離子體和激光輻射，對(duì)焊接過(guò)程的影響也會(huì)變大。

3.2.2 焊接速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響。圖8為激光功率相同時(shí)，在同一點(diǎn)上不同焊接速度下的溫度循環(huán)曲線。選取的激光功率[P]=1 400 W，焊接速度分別為1.2、1.5、1.8 m/min。

由圖7可以看出，在激光功率保持不變的情況下，同一點(diǎn)輸入的線能量隨焊接速度越快而越低，溫度場(chǎng)的范圍越小，所達(dá)到的峰值溫度變低;同一點(diǎn)達(dá)到峰值溫度所需時(shí)間越短，升溫、降溫過(guò)程越快。

3.3 熔池截面溫度場(chǎng)分布

由圖5可看出，當(dāng)基體激光功率[P]=1 400 W，焊接速度[v]=1.2 m/min時(shí)，熔池形狀較好，但基體下表面溫度較低，低于材料熔點(diǎn)（1 550 ℃左右），不能焊透整個(gè)工件。根據(jù)上文分析可知，保持激光功率不變，可通過(guò)降低焊接速度來(lái)提高焊接溫度。

圖8為激光功率[P]=1 400 W不變，將焊接速度降低至[t]=0.9 m/min，此時(shí)基體下表面溫度超過(guò)材料熔點(diǎn)，熔池截面仍為酒杯狀，所形成的熔池較好。

圖9為焊接功率[P]=1 400 W，焊接速度繼續(xù)降低至[t]=0.6 m/min時(shí)，基體下表面溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于焊件的熔點(diǎn)，從熔池的溫度分布可以看出，達(dá)到熔點(diǎn)溫度的熔池形狀上下寬度接近相同，熔池形狀較差，容易造成焊縫表面塌陷或貫穿整個(gè)鋸片。

同理，可分析得出激光功率[P]=1 600 W、[P]=1 800 W時(shí)，焊接速度分別在[t]=1.5 m/min和[t]=1.8 m/min時(shí)形成的熔池較好。

4 結(jié)論

由于金剛石鋸片激光焊接溫度場(chǎng)模擬過(guò)程中，溫度場(chǎng)不對(duì)稱，刀頭部分溫度場(chǎng)范圍較大，峰值溫度較高。其他條件不變，激光功率越大，同一點(diǎn)峰值溫度越高，溫度場(chǎng)中高溫區(qū)范圍越大;焊接速度越高，同一點(diǎn)峰值溫度越低，溫度場(chǎng)高溫區(qū)范圍越小，升降過(guò)程更快。通過(guò)溫度場(chǎng)模擬分析，根據(jù)熔池形狀效果，可初步優(yōu)化激光焊接參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐霞輝.激光焊接金剛石工具[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004.

[2]谷京晨，童莉葛，黎磊，等.焊接數(shù)值模擬中熱源的選用原則[J].材料導(dǎo)報(bào)，2014（1）：143-146.

[3]王慧，蘭箭，華林.基于組合熱源模型的激光深熔焊接數(shù)值模擬[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（11）：39-45.

[4]周秋菊.殷鋼薄板材料激光焊接試驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

[5]張亮峰.基于ANSYS上的焊接熱過(guò)程模擬技術(shù)的研究[J].機(jī)械加工與自動(dòng)化，2002（1）：6-7.

[6]程久歡，陳俐，于有生.焊接熱源模型的研究進(jìn)展[J].焊接技術(shù)，2004（33）：13-15.

[7]黃前程.金剛石鋸片激光焊接[D].廣州：華南師范大學(xué)，2005.

[8]賈坤榮，劉軍，岳珠峰.厚板焊接溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].熱加工工藝，2009（17）：102-105.