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激光加工数值模拟技术研究现状激光加工数值模拟技术研究现状
激光焊接数值模拟技术研究现状
摘要：介绍了激光焊接数值模拟技术在激光焊接温度场分析、激光焊接应力应变分析、激光焊接熔池流动场分析、激光焊接接头微观组织分析方面的研究现状, 并对激光焊接数值模拟技术在这几方面的模拟方法、原理及模型的建立进行了较为详细的介绍。 最后, 对我国焊接数值模拟技术的发展进行了展望。
关键词：激光焊接 数值模拟 温度场 应力应变 熔池模拟 接头
1.引言
激光焊接是利用高能量的激光光束作为热源照射到材料表面从而使材料汽化、熔化并冷却结晶形成焊缝的一种先进焊接方法。由于具有高能量密度，高效率，高精度，柔性好等优点，激光焊接受到了广泛的重视，并且已经应用到了航天航空，汽车制造等材料加工的领域。
随着激光焊接应用的增加，人们对激光焊接过程的研究也更加重视。在计算机仿真技术应用于焊接学科之前，人们为了某些材料制定合适的激光焊接工艺，往往需要进行大量的实验，耗费大量的物力人力财力。因此，建立激光焊接的数学模型并对激光焊接进行全过程的模拟仿真，对于预测焊接结果，实现激光焊接工艺参数预选和优化，减少工艺试验次数，甚至控制激光焊接过程，防止出现焊接缺陷都具有十分重要的意义。
2.焊接数值模拟发展历史
焊接过程的数值模拟研究由来已久。70年代，有限元法逐渐在焊接温度场分析计算中使用。1975年，加拿大的Poley和Hibbert提出利用有限元法研究焊接温度场，并编制了简单的温度场计算程序。1976年，Krutz在博士论文中专门研究了利用焊接温度场预测接头强度的问题。随着80年代末90年代初，热弹塑性计算理论的逐步完善，焊接应力应变的数值模拟也逐渐发展起来并日益成熟。同时，计算机技术的发展也为焊接数值模拟提供了更有力的支持，使人们能够进一步对激光焊接的接头组织，熔池流动等进行更深入的数值模拟研究。
3.激光焊接温度场数值模拟
焊接过程中会产生温度场, 对其数值模拟的研究已广泛应用到焊接领域。焊接构件时会出现很多情况, 例如裂纹、凝固等。对不均匀温度场的数值模拟, 可以更好地研究其产生的原因及对其他性能的影响。
3.1 数学模型的建立
焊接时，焊件各点的温度会随着热源的移动和时间的变化而变化。焊件上个点在瞬时的温度分布称为焊接温度场。焊接过程属于动态热传导过程，因此对于该过程的研究，重点是对焊缝处材料温度变化的规律，所以可以只考虑热传导而忽略对流等特殊状况对温度场进行计算。作为三维热传导问题，其控制方程为：
(2-1)
对于上述方程，通过给定温度场的边界条件，利用有限元法对结构进行离散，建立有限元模型，求得有限元方程，然后进行求解。
对于瞬态热传导问题，在能量守恒理论的基础上，瞬态的有限元求解方程可以表示为：
(2-2)
这是一组以时间t为独立变量的线性常微分方程组，通过引入初值，对其求解可以得到相应的温度场计算结果。
3.2 热源模型的选取
早期研究中，激光焊接的热源模型主要是“线”“点+线”“点+线+面”。近年来，体热源模型被深入研究，人们提出了诸多有效的激光焊接温度场的热源模型，如椭球模型，双椭球模型，高斯体热源模型，旋转高斯体热源模型，等等。通过实际的温度场计算，和实验结果进行对比，旋转高斯体热源模型更加适合激光焊接温度场的计算。
图1 旋转高斯体热源
旋转高斯体热源能够模拟出激光焊接中典型的“钉头”和“深熔”现象，与实际的焊缝截面具有很好的一致性，能弥补双椭球类热源模拟的缺点。
3.3 温度场计算的结果的影响因素
不同的潜热处理方式对温度场的影响很大。与假定潜热在固液相线间以恒定速率释放的计算结果相比, 实测方法计算出的熔池尺寸相对较窄,但对低温处的温度影响不大。熔池内的对流传热加快了传热速度, 因此对焊接温度场也有很大的影响。当考虑了熔池内的对流传热影响时, 计算出的熔池尺寸及其附近温度场等温线比不考虑时也变宽了, 而对远离熔池的温度场影响不大。如果只是焊接线能量相同, 焊接参数改变时,等温线的形状和尺寸也会发生很大变化。大电流快速焊情况下焊接熔池及温度场变得很狭窄, 反之会很宽。
4.激光焊接应力应变数值模拟
由焊接过程产生的动态热应力，应变及其随后形成的残余应力和变形，是导致焊接裂纹和接头强度性能下降的重要因素。激光焊接应力-应变的数值模拟分析,可以计算出焊接过后的残余变形和残余应力，从而为激光焊接接头的性能分析提供了可靠的依据，为结构件的焊接质量分析提供了有效的分析手段。
4.1 理论的发展
20世纪70年代以来,上田幸雄等人提出了考虑材料力学性能与温度有关的2维和3维焊接热弹塑性有限单元法，并发展成为一门新的学科“计算焊接力学”。他们对多道焊、角焊和圆周型压力容器焊接的残余应力和变形进行了3维热弹塑性有限元分析，并得出了满意的结论。此后，他