激光焊接不锈钢的温度场数值模拟

《激光焊接不锈钢的温度场数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、2012年7月安阳工学院学报July.2012第11卷第4期渊总第58期冤JournalofAnyangInstituteofTechnologyVol.11No.4渊Gen.No.58冤激光焊接不锈钢的温度场数值模拟丁林,蒋红云渊安徽国防科技职业学院袁安徽六安237011冤摘要院采用有限元方法袁建立了激光焊接不锈钢的三维瞬态温度场的计算模型袁考虑了材料的热物理性能尧相变潜热与温度的非线性关系以及表面对流换热和辐射散热等影响因素袁使用SYSWELD软件对激光焊接过程中的温度场进行了分析遥结果表明院在激光焊接的开始阶段和结束阶段温度快速上升袁中间阶段温度变化较缓慢曰沿激光束扫描方向和

2、与扫描方向垂直的方向都存在较大的温度梯度袁温度梯度的存在引起较大的热应力袁而热应力的存在是焊接过程中易产生裂纹的主要原因遥关键词院激光焊接曰SYSWELD曰温度场曰有限元方法中图分类号院TG456文献标志码院A文章编号院1673-2928渊2012冤04-0001-04激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热实际工程分析中存在一定的局限性遥目前关于焊[4-7]源的一种高效精密的焊接方法遥激光焊接具有高接温度场的有限元计算已经有很多报道袁主要能量密度尧可聚焦尧深穿透尧高效率尧高精度尧适应因为影响数值模拟技术在实际生产中得到应用的性强等优点袁广泛应用于航空航天尧汽车尧微电子尧主要原因是计

3、算时间过长或计算精度不高袁这主轻工业尧医疗及核工业等要求高精度和高质量的要是下述因素造成的院1)焊接结构三维模型中自由焊接领域遥度数目庞大曰2)严重的材料非线性导致求解过程的由于激光焊接是一个快速而不均匀的热循环收敛困难曰3)高温区的存在使得控制数值模拟的精过程袁焊缝附近出现很大的温度梯度袁因此在焊后度和稳定性存在一定的困难遥在国内袁有关激光焊结构中也会出现不同程度的残余应力和变形袁这接机理以及激光焊接温度场与应力场的数值模拟些都成为影响焊接结构质量和使用性能的重要因方面的研究正在逐渐引起重视遥素遥焊接热过程的准确计算是定量计算焊接冶金尧本文以SYSWELD有限元软件为基础袁考虑了

4、焊接应力应变分析和焊接过程自动化控制的前材料的热物理性能及相变潜热与温度的非线性关提袁对焊接结构力学分析尧显微组织分析以及最终系袁选择了合适的热源模型袁以不锈钢0Cr18Ni9为的焊接质量控制具有重要意义遥焊接热过程取决研究对象袁对其温度场进行动态分析遥于外加热源的分布形式尧材料的热物理性能以及1数学模型的建立材料与周围的换热等因素遥经典的雷卡林公式以焊接过程的热传导控制方程为点尧线尧面分布热源来模拟各种焊接热源袁有一定(1)的局限性遥焊接过程数值模拟的研究早期一直停[1]留在二维水平上遥近年来袁随着计算机技术和有式中院籽尧c分别为材料的密度和比热曰T为温度曰t为限元技术的发展袁焊

5、接过程三维数值模拟的研究时间曰Q为内部热源渊包括激光施加的热量以及相成为该领域的研究前沿遥变释放的热量冤曰为材料的导热系数曰x尧y尧z分别20世纪70年代以来袁国外许多学者对激光焊为坐标轴遥接机理进行深入的研究袁并提出了相应的物理模初始条件院当t=0时袁工件具有均匀的初始温型遥考虑熔池形状以及熔池中金属的流动和热流度袁一般为周围环境温度遥的分布袁考虑了电子密度尧离子化程度尧等离子体T=T0(2)对入射激光的吸收系数和激光焊接工艺参数对熔边界条件院首先考虑热源作用的高斯热流分[2]深的影响袁建立了不同的能量吸收模型遥但是由布遥另外袁表面对流与辐射的换热边界条件为于焊接过程的复杂性袁焊

6、接过程的三维数值模拟(3)[3]仍只停留在以典型接头作为研究对象袁而且这些研究偏向于应用物理和量子力学的研究领域袁在式中院a为总换热系数院a=ac+ar,ac是对流换热系数袁元收稿日期院2012-03-21作者简介院丁林(1982-)袁男袁安徽阜阳人袁硕士研究生袁主要从事焊接及激光熔覆方面的研究遥2安阳工学院学报2012年ar是辐射换热系数遥2焊接过程的物理模型的建立2.1焊接热源焊接热源选择合适与否袁对焊接温度场的计算精度袁特别是对靠近焊接热源的高温区有很大的影响袁本文采用高斯分布热源模型袁高斯分布函数为(c)(4)图2材料的热物理性能参数与温度的关系焊接过程中伴随着相变所产生的

7、相变潜热在有限元计算中是以焓的形式来表示(5)式中院籽为材料的密度7.85g/cm3曰c(T)是材料的比热袁为温度的函数遥在某一温度增量区间袁材料的物理性能参数值以及所产生的相变潜热Hv可表示为各相值的叠加(6)式中院Hj是第j相的物理性能参数或相变潜热曰Vj图13D锥形高斯热源是第j相的转变体积比袁且曰n是材料中相式中院Q(x,y,z)为时间t时在(x,y,z)位置的热流量遥的个数遥为了进一步提高热源的准确性袁在计算前采用SYSWELD软件中的热源校正工具袁输入具体