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1、第24卷第1期焊接学报Vol.24No.12003年2月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONFebruary2003环形构件激光束钎焊过程的有限元模拟董平,陈裕泽,邹觉生,颜怡霞(中国工程物理研究院,四川绵阳621900)摘要:对铍环激光束钎焊过程的温度场和应力场进行了有限元模拟。分析采用轴对称模型和热力耦合的有限元方法,并假定沉积到钎缝表面的激光束能量满足Gauss分布。结果表明,焊接温度场分析得到的熔池大小与金相分析得到的焊缝几何尺寸比较一致;在离钎缝2.5mm以内的区
2、域,焊接残余应力非常大,材料发生塑性屈服,环向应力大于轴向应力,从而使得铍环容易发生轴向开裂;远离钎缝区域,铍环内外表面同时发生向内的径向收缩,离钎缝1mm范围内,铍环外表面向外膨胀,内表面继续向内收缩;焊接残余应力主要分布在离钎缝15mm以内的区域。关键词:激光束钎焊;温度场;应力场;有限元分析中图分类号:TG407文献标识码:A文章编号:0253-360X(2003)01-51-04董平0序言内的焊接残余应力分布状态,作者采用MARC软件对环形构件激光束钎焊过程进行了有限元模拟。激光束焊接是一种高能束焊接方法。在
3、焊接过程中,激光束能量沉积在焊缝表面,使焊缝表面温度1有限元模型迅速升高到沸点,甚至使焊缝金属发生汽化。根据激光束焊接输入能量高低,可将激光束焊接划分为1.1试样及激光束钎焊工艺[1]热传导焊接和深穿透焊接。热传导焊接输入能图1是环形焊件结构示意图,由铍材加工而成,量较低,焊缝金属只发生熔化而不发生汽化;深穿透钎焊时在钎缝内填充铝硅合金钎料,钎缝宽度和深焊接输入能量高,焊缝金属不仅发生熔化而且发生度分别为0.4mm和1.0mm。为了夹持环形焊件,汽化,焊接过程形成细长的“小孔”。激光束焊接具在焊件两端作用一定大小的均
4、布压力。采用连续有较高的能量密度和相对低的总输入能量,可减小Nd:YAG激光焊机焊接(λ=1064nm),焊接线能焊缝及热影响区范围,降低焊接残余应力和变形。量为108J/mm。为防止钎缝上方形成等离子体,焊尽管如此,由于焊缝及附近经历了非常高温的热循接时采用氩气吹钎缝上方,喷气嘴直径为<8mm,环过程,焊接后在焊缝及附近仍然会产生较大焊接气体流量为15L/min,焊接初始温度To=20℃。残余应力。为了确定激光束焊接残余应力的大小和分布,优化焊接工艺,许多学者对此开展了大量研究。[2]SchrankM对不锈钢圆片激
5、光束塞焊过程进行了二维轴对称和三维分析,并与实测温度和变形进行了比较,进一步研究了预载荷对激光束焊接变形的影响,提出了控制焊接变形的有效方法。Carmignani[3]C对钢板激光束对接焊接过程进行了三维分析,得图1环形焊件结构示意图到了钢板激光束焊接后的残余应力和变形分布。沿Fig.1Schematicdiagramofringstructure圆周焊接的环形构件是一种常见的焊接构件。研究表明,环形构件圆周焊接的环向应力分量较大,容1.2单元网格划分易引起构件发生轴向开裂[4]。为了确定环形构件有限元分析单元网格划
6、分示于图2,采用轴对称四节点等参单元。由于钎缝及附近具有较高的焊收稿日期:2002-04-16接温度及温度梯度,在靠近钎缝的地方,单元网格划基金项目:中国工程物理研究院科学技术基金资助项目(20020867)52焊接学报第24卷分较密,远离钎缝的地方,单元网格逐渐稀疏。模型不考虑形成小孔效应。假定激光束能量只沉积到钎[5]共划分为1599个节点,1464个单元。缝表面,在钎缝附近满足Gauss分布,其表达式为22αP2rI(r)=2exp-2,(1)πrbrb式中:α为材料对激光吸收率;P为激光输入功率;图2有限元单
7、元网格划分rb为激光束光斑特征半径;r为点到束斑中心的距Fig.2ElementmeshsfigureforFEM离。束斑半径rb随激光束焦点偏离试样表面距离1.3材料性能z而变化,其大小[6]为采用热-力耦合的有限元分析方法,表1列出rb=ro[1+λzM2/(πr2)]0.5,(2)o有限元计算所采用的铍和铝硅合金性能参数,当钎式中:r2o为焦点处的束半径;λ为激光波长;M是焊温度高于熔点后,由于钎焊熔池快速熔化和凝固,随激光束强度变化的无量纲参数。可见,如果激光熔池内流体流动的时间非常短暂,不考虑熔池内的束聚焦
8、在试样表面,束斑半径rb将不随激光束强度流体流动,取熔化后材料的弹性模量和屈服强度的发生改变。激光束沉积在试样表面的能量在空间域较小值,分别为5GPa和5MPa。和时间域内变化,编写子程序计算钎缝外表面的热1.4焊接热源分布及边界条件流。试样外表面其它区域、内表面以及端面均采用由于激光束焊接为能量密度低的热传导焊接,对流边界条件。表1不同温度下
