sus430铁素体不锈钢激光焊接热应力场数值模拟地研究

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2、学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要由于激光焊接具有多参数影响、反应迅速、物化反应复杂等的特点，所以通过采用大量的试验积累的数据而制定激光焊接工艺不经济，难以适应工程实际的需要。通过采用数值模拟的方法，建立符合实际的有限元模型去模拟激光焊接过程，可以大大降低试验成本、缩短试验周期、提高效率，对后期相关的工艺制定具有一定的指导意义。本文中，采用大型有限元软件ANSYS的APDL语言对SUS430铁素体不锈钢激光焊接温度场、残余应力场的产

3、生和分布规律进行了数值模拟。采用热电偶测温法测试了SUS430铁素体不锈钢激光焊的温度场分布，应用小孔法测试了其残余应力场的分布规律。针对激光焊接深熔焊的传热机理，结合实际薄板焊接过程中焊缝形态，建立了深度方向呈指数衰减高斯圆柱热源模型。该热源模型考虑了材料表面吸收系数N和材料内部吸收系数S两个特征参数，其中，N综合考虑了金属材料表面对激光的反射作用和金属材料上方的等离子体对激光的散射和吸收作用；S考虑了朗伯定律中材料对激光的线性吸收系数，受激光波长、材料内部的等离子体的密度、温度影响较大。在激光焊接温度场和应力场数值模拟中，针对SUS430铁素体

4、不锈钢的热物理性能参数不全，特别是半熔化态及熔化态的热物理性能，本文采用相似材料类推法，并对高温时的导热系数、弹性模量、屈服强度、应力应变关系等进行了大量试算，得到了在一定范围内激光焊接温度场和应力场的影响规律。此外，在对温度场进行数值模拟时，还计算对比分析了热焓法、等价比热容法、不考虑相变三种情况下的温度场分布情况；边界换热条件主要考虑了自然对流、热辐射，并考虑了温度对辐射公式中的辐射系数ε的影响。在激光功率1620W、焊接速度5mm/s时，通过对比数值模拟所得的温度场和热电偶测温法测试所得的热循环曲线分布规律，两者的最高温差相差10℃以内，冷却

5、15s之后的温差相差50℃，升温速率和冷却速率误差控制在10%之内，从而验证了温度场数值模拟的相对正确性。此外，通过对比该工艺条件下的数值模拟所得的应力场和利用小孔法所测的残余应力分布规律，纵向残余应力分布趋势和横向残余应力分布趋势都与实验结果具有一致性。关键词：铁素体不锈钢；激光焊；热应力模拟；指数衰减高斯圆柱热源ABSTRACTBecauselaserweldingisofmulti-parameterinfluence,quickreaction,andcomplexphysicalandchemicalreaction,soitisnon-

6、commercialtouselargenumberoftestdatatomakelaserweldingprocesstesting,whichdifficulttoadapttotheneedsofengineeringpractices.ThroughestablishingthesuitablefiniteelementmodeltosimulateStressstraindistributionoflaserwelding,itwillgreatlyreducethetestcost,shortentestingtime,andrais

7、edefficiency,andhassignificancetoguidethesubsequentweldingprocesstests.ThispaperresearchesonthermalstressnumericaloflaserweldingforSUS430ferriticstainlesssteel,throughusingAPDLlanguageofthelargefiniteelementsoftwareANSYS.Inaddition,thermalcyclecurveofSUS430ferriticstainlessste

8、elistestedbythethermocoupletemperaturemeasurementmethod,andth