賈劍平，劉　丹，張幸福，彭　亮，畢凱強(qiáng)

低碳鋼薄板激光焊數(shù)值模擬及工藝

賈劍平，劉丹，張幸福，彭亮，畢凱強(qiáng)

（南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330031）

在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，考慮了材料導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流換熱系數(shù)、熱焓等參數(shù)隨溫度的變化，通過有限元軟件ANSYS建立激光薄板焊接的熱源模型，模擬激光焊焊接過程，研究其溫度場分布。對(duì)比試驗(yàn)和模擬結(jié)果，得出其焊縫形狀基本一致。同時(shí)分析焊接電流、脈寬、頻率對(duì)熔池熔深、熔寬的影響，結(jié)果顯示，熔深、熔寬與電流成正比，與脈寬和頻率成反比。對(duì)焊縫組織進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)焊縫主要由珠光體和鐵素體構(gòu)成，材料性能滿足焊接要求。

激光焊；ANSYS；數(shù)值模擬；金相分析

0　前言

激光亮度極高又能定向發(fā)光，將其聚焦于材料表面可以迅速熔化母材形成完美的焊縫，激光能量集中，所以被認(rèn)為是理想的焊接熱源。作為一種焊接方法，激光焊屬于非接觸式焊接。激光焊具有深寬比大、熱影響區(qū)小、焊接速率高、可靠性好、聚焦后的光斑直徑小等特點(diǎn)[1]，但其焊接成本高、激光利用率低、裝夾要求高，也是激光焊不能普遍適用的原因[2]。

Q235-A因其良好的焊接性能，是一種應(yīng)用較廣泛的低碳鋼。但其在焊接過程容易出現(xiàn)熱裂紋、冷裂紋、過熱區(qū)脆化等問題，因此研究焊接性能顯得尤為重要[3]。

在此主要研究激光焊接參數(shù)對(duì)低碳鋼的焊縫成形的影響，并應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)激光焊焊接過程溫度場進(jìn)行模擬，得到焊接溫度的分布規(guī)律和變化曲線，再通過金相分析，進(jìn)一步了解其焊縫的組織性能。該研究為低碳鋼激光焊的應(yīng)用提供參考。

1　試驗(yàn)研究

試驗(yàn)選用材料Q235-A，材料尺寸50mm×40mm× 1 mm，焊接前對(duì)試樣表面進(jìn)行除銹處理，即用砂紙仔細(xì)打磨試樣表面，并用丙酮和酒精擦洗干凈以清除試樣表面油污等雜質(zhì)。試驗(yàn)使用JHM-1GY-300F型激光焊接機(jī)。最大輸出功率300W，激光波長1.06μm，保護(hù)氣體流量15 L/min。

試驗(yàn)參數(shù)：電流150～210A、焊接速度200mm/min、脈寬2～4 ms、離焦量0 mm、光斑直徑0.4 mm、頻率10～20 Hz。試驗(yàn)采用單因素法對(duì)1 mm厚度的薄鋼板進(jìn)行焊接試驗(yàn)安排。通過改變激光參數(shù)（激光功率（電流）、脈寬和頻率）對(duì)Q235-A鋼材料進(jìn)行研究。焊接試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

表1　焊接試驗(yàn)安排

圖1　焊縫

2　焊接模擬

2.1有限元模型的建立

激光焊是一個(gè)快速加熱、快速冷卻的過程。由于焊縫位于試件的中間，根據(jù)對(duì)稱性可對(duì)其一半寬度建立模型，在焊縫區(qū)域選擇較密的網(wǎng)格劃分，用掃描方式劃分網(wǎng)格，該區(qū)域選用8節(jié)點(diǎn)三維單元solid70，過渡區(qū)域網(wǎng)格較焊縫區(qū)大，選用20節(jié)點(diǎn)六面體單元solid90，在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域網(wǎng)格更為疏松，這樣的建模方法可以減少運(yùn)算時(shí)間，提高工作效率，同時(shí)保證計(jì)算精度。建立模型大小為100 mm× 20 mm×1 mm，有限元模型如圖2所示。模型建立后，需要定義材料屬性，焊件的熱物性參數(shù)如表2所示。

圖2　焊件有限元模型

表2　材料熱物性參數(shù)

2.2熱源模型

試驗(yàn)材料為薄板，高斯熱源就滿足焊接熱源加載的要求。激光器的激光光斑的功率密度近似為高斯函數(shù)分布，數(shù)學(xué)表達(dá)如下

式中q為加載區(qū)域的表面熱流密度；qmax為熱源加熱斑點(diǎn)中心的最大熱流；c為高斯熱源參數(shù)。材料的熱吸收率為0.54[4]。

2.3邊界條件

在t=0時(shí)，材料溫度與周圍環(huán)境溫度相同，設(shè)為20℃。在加熱過程中由于巨大的溫度梯度，熱量以對(duì)流、輻射的形式進(jìn)行交換[5]。將模型的對(duì)稱面設(shè)置為絕熱邊界條件，其他表面設(shè)置為換熱邊界條件[6]。

2.4結(jié)果和分析

（1）溫度場分析。

模擬試驗(yàn)所做的七組參數(shù)，得出溫度分布曲線。選第3組試驗(yàn)參數(shù)模擬結(jié)果進(jìn)行溫度場分析，得出在焊接到5 s、15 s、29 s時(shí)的溫度分布云圖，如圖3所示。由圖3可知，熱導(dǎo)焊焊接低碳鋼時(shí)，由于激光焊的加熱半徑小，溫度過于集中，所以溫度梯度變化大，熱影響區(qū)小。在光斑直徑移動(dòng)的同時(shí)，熔池也隨著光斑移動(dòng)，焊后區(qū)域以空冷方式冷卻。隨著熱源的移動(dòng)，焊接逐漸進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，其溫度場分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律。同時(shí)溫度場的等溫線呈橢球形，在熱源前方的等溫線密集，熔池形成迅速，熱源后面等溫線疏松，溫度梯度較小，其熔池形狀如圖4所示，為近似半球狀，與熱導(dǎo)焊焊接特性一致。

（2）參數(shù)對(duì)熔池大小的影響。

在試驗(yàn)后統(tǒng)一測量7組試驗(yàn)所得焊縫的熔深、熔寬，同時(shí)將模擬所得熔池的熔深、熔寬測量后進(jìn)行相互比較，如表3～表5所示。

表3　電流變化對(duì)熔深、熔寬的影響

表4　脈寬變化對(duì)熔深、熔寬的影響

表5　頻率變化對(duì)熔深、熔寬的影響

圖3　溫度分布云圖

圖4　熔池形狀

由上述對(duì)比表可看出，模擬結(jié)果與焊接結(jié)果基本吻合。由表3可知，隨著激光器電流從150 A增大到210 A，焊縫熔寬和熱影響區(qū)逐漸變寬，熔深隨電流的增大而加深，這是因?yàn)殡娏鳑Q定YAG脈沖激光器的輸出能量大小，電流增大，單脈沖激光能量增大，導(dǎo)致熔深增大，焊縫寬度和凹陷也會(huì)更顯著。由表4可知，隨著脈寬增大，熱影響區(qū)明顯越大，焊縫熔深、熔寬增加，焊縫凹陷也增加。脈寬即單脈沖能量加載的時(shí)間，脈寬增加表示加大熱源作用時(shí)間，因此熔池的熔深、熔寬均會(huì)變大。由表5可知，當(dāng)頻率在2～3 ms變化時(shí)，頻率的增高會(huì)減小焊縫熔深和熔寬。但在提高頻率的同時(shí)，焊縫會(huì)變得更加平整和光滑。

3　金相分析

選擇兩組試驗(yàn)對(duì)其焊縫進(jìn)行鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕等，然后分析試樣，觀測結(jié)果。熔池形狀如圖5所示，可看出與模擬結(jié)果熔池基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確。熔池金相如圖6所示，分析可知金相組織主要由珠光體和鐵素體構(gòu)成，但在焊后母材由于加熱熔化會(huì)出現(xiàn)粗大的焊縫柱狀晶，可明顯看出母材和焊縫金屬存在熔化區(qū)、加熱區(qū)和未熔化區(qū)三種區(qū)域，如圖7所示。

圖5　熔池形狀

圖6　Q235-A金相組織

圖7　焊后金相

觀察焊接接頭成分，可以看出焊接過程中的熱循環(huán)是否合理，判斷其焊接接頭性能[7]。焊接熱影響區(qū)的金相成分如圖8所示。焊接過程溫度太高，母材金相中出現(xiàn)的小黑點(diǎn)屬于金屬氧化導(dǎo)致，氧化造成奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布金粒粗化，影響母材性能。

圖8　金相成分

4　結(jié)論

（1）運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)Q235-A薄板激光焊過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本相符。模擬較為準(zhǔn)確地表達(dá)了焊縫區(qū)域溫度場的分布變化情況和分布規(guī)律。

（2）分別考慮焊接電流、脈寬、頻率對(duì)焊縫形狀的影響，為進(jìn)一步的焊接試驗(yàn)提供依據(jù)。

（3）對(duì)焊縫金屬進(jìn)行金相分析發(fā)現(xiàn)，焊縫組織由鐵素體和珠光體構(gòu)成，塑性韌性好，接頭性能良好。

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Numerical simulation and process of laser welding on low carbon steel sheet

JIA Jianping，LIU Dan，ZHANG Xingfu，PENG Liang，BI Kaiqiang
（Mechanical Electronic EngineeringCollege，NanchangUniversity，Nanchang330031，China）

Considering of the change of material parameters such as the enthalpy，thermal conductivity，coefficient of convection along with the temperature，the heat source model of laser weld is established based on experiment and used to simulate the laser welding process by applying the finite element software ANSYS.The comparison between results of experiment and simulation shows that they have same weld bead.Then the influence of weld pool of current，pulse width，frequency on the width and depth is analyzed.The results show that the width and depth of weld pool are proportional to welding current，and are inversely proportional to pulse width and frequency.Through analyzing the organization of weld，it's found that the organization is composed of ferrite and pearlite.The characteristics of materials meet the requirement of welding.

laser welding；ANSYS；numerical simulation；metallographic analysis

TG456.6

A

1001－2303（2016）01－0098-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.23

2014-07-06

江西省教育廳科研項(xiàng)目（CJJ13070）

賈劍平（1966—），男，湖南寧遠(yuǎn)人，教授，博士，主要智能機(jī)器人與視覺的研究。