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1、 学校代号:学 号:密 级:普通湖南大学工程硕士学位论文镀锌钢/冷轧钢异种板材激光焊接工艺试验研究堂僮由请厶娃名 董墓蝰昱咂丝刍盈驱叠 登丝副麴攮蕉遄昌直王墙羞皇僮 扭越墨运夔工猩堂瞳迨窒握童旦塑 生垒旦旦迨窒筌趱旦期; 生垒月墨日筌整委员会圭应;圃壶雄麴援 . ,湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。隰渺年争川日储虢毫英孳学位论文版权使
2、用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于、保密口,在 年解密后适用本授权书。、不保密囤。请在以上相应方框内打“”作者签 年午只 导师签年眵具摘 要随着全球环境的恶化和能源危机的不断加剧,“轻量化”和“安全性”作为汽车产业的重要问题已受到人们的重视,节能减排成为新一代汽车设计和制造面临的重要问题。激光拼焊作为一种新技术,在汽车车身成型中得到广泛应用,通
3、过这种技术可以把不同材质、厚度、强度、表面状况的板材拼焊在一起,从而既可以设计出强度合理,数量尽可能少的车身件,又可以达到减轻车身重量,降低生产成本的目的。本文丌展了镀锌钢/冷轧钢异激光焊接种板材工艺试验研究。首先,对镀锌钢/冷轧钢异种板材在激光移动热源作用下的三维瞬态温度场进行了有限元分析,模拟了激光功率与上临界焊接速度的关系以及激光功率、焊接速度等工艺参数对焊缝尺寸的影响,为试验工艺参数的选择提供参考;其次,利用光纤激光器及其配备的机器人对镀锌钢/冷轧钢异种板材进行焊接试验;最后,对激光焊接试件接头进行了显微组织、力学性能及硬度分布等检测和分析。获得如下研究成果:建立激光焊接热传导模型,利
4、用有限元软件对激光焊接温度场进行移动热源条件下三维瞬念有限元分析,模拟了激光功率、焊接速度等工艺参数对工件表面及内部温度场的影响。发现工件表面温度场基本呈椭圆形分布,工件内部温度场基本呈抛物线分布,当光斑中心位于两板对接中心上,温度场分布不均匀,向镀锌钢一侧偏移。通过研究深熔焊临界状态,得到了激光焊接镀锌钢/冷轧钢异种板材的激光功率与上临界焊接速度的关系以及激光功率、焊接速度等工艺参数对焊缝尺寸的影响规律。结合理论分析,采用正交试验法对镀锌钢/冷轧钢异种板材进行了焊接试验,通过检测焊缝表面质量,对工艺参数进一步调整,得到本试验条件下较合理的工艺参数,在此工艺参数下,焊接接头的抗拉强度、屈服强度
5、等综合力学性能较好。检测焊缝表面,发现激光光斑处于两板对接中心时,焊缝向镀锌钢一侧偏移,因此,在进行同等厚度镀锌钢/冷;异种板材激光焊接时,激光光斑中心宜向冷轧钢一侧偏移,以克服因其物理性质差异所导致的焊缝与拼接中心问的偏离,保证焊接接头强度和性能。通过检测试样的显微组织,发现焊缝没有出现气孔、裂纹等缺陷,硬度测试表明,接头硬度高于母材,没有热影响区软化现象。拉伸试验结果试样断于冷轧钢板一侧,焊接接头的强度与母材冷轧钢板相当。关键词:激光焊接;异种板材:镀锌钢/冷轧钢;温度场;质量检测,”., ,. ,.,.,.,. .,., . :,.,.,. ,. ,. ,. , . , . , ,.,
6、./ ;: ; ;目 录湖南大学学位论文原创性声明和版权使用授权书?摘 要?.目 录?.第章绪论.前言.激光焊接的原理及特点.激光焊接的原理:.激光焊接的特点?.激光拼焊的应用及意义.国内外激光拼焊研究现状?.本课题研究的内容及目标?第章激光焊接温度场的模拟.热传导问题的描述?.焊接温度场有限元计算模型.有限元模型的建立及网格划分?一.激光焊接热源模型的选取.:?.材料物理性能参数的确定?.初始条件和边界条件的处理.相变潜热的处理.加载与求解?.模拟结果及分析?.激光拼接温度场的特点.焊接工艺参数对温度场的影响.临界工艺参数的模拟.本章小结?.第章试验条件与方法?.焊接试验准备.试验材料?一.
7、焊接夹具.试验设备?.光纤激光器?.机器人?一.激光焊接头?.焊接试验装置.试验方案?.激光工艺参数范围的确定.交试验法?.焊接方法与步骤.本章小结第章激光焊接镀锌钢/冷轧钢试验结果分析?.焊接接头成形质量分析?一.工艺参数对焊缝尺寸的影响?一.激光功率对焊缝尺寸的影响.焊接速度对焊缝尺寸的影响.离焦量对焊缝尺寸的影响?.焊接接头力学性能分析?一.焊接接头组织分析.焊缝形貌.显微组织分析.焊接接头显微硬度测试?一.本章小结?.:总结与展望参考文献?附录:攻读学位期间所发表的学术论文目录?.致谢?.第章绪论.前言自年发明第一台激光器以来,人们对激光的特性进行了研究,并论证了激光的应用前景。进入世
8、纪以来,随着激光技术的迅速发展,激光的应用范围同趋广阔。激光在汽车、微电子、钢铁冶金、航空航天、机械、纺织、化工等领域得到了广泛的应用,有些行业已经达到了较高的水平。激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一种加工新技术,涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科。作为激光加工的重要组成部分,激光焊接具有焊缝强度高、深宽比大、热影响区小、焊接变形小、焊接速度快、焊接过程的自动化程度和可靠性高等优点,近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段。汽车行业是激光焊接应用的重要领域之一,随着全球环境和能源危机的不断加剧,“轻量化”和“安全性”作为汽车产业的
9、重要问题已受到人们的重视,节能减排成为新一代汽车设计和制造面临的重要问题。研究表明,减少汽车自身重量是降低燃油消耗、减少尾气排放、节约材耗的最有效措施。在不增加成本,维持车身功能与抗冲击安全性的情况下,采用新型材料以及新的成型方法成为减轻车身重量的重要手段,镀锌钢板是解决上述问题的一种优选材料】。,激光拼焊作为一种新技术,在汽车车身成型中得到广泛应用,通过这种技术可以把不同材质、厚度、强度、表面状况的板材拼焊在一起,从而既可以设计出强度合理,数量尽可能少的车身件,又可以达到减轻车身重量,降低生产成本的目的。例如,年奥迪汽车将激光焊接用于轿车底板焊接,年,美国三大汽车公司已经有%的电阻点焊生产线
10、被激光焊接生产线取代;日本丰田采用激光拼焊种不同厚度和种不同表面镀层轿车侧框件,模具数量由副降至副,材料利用率增加%。国内宝钢公司年已经完成多家汽车车身激光焊接技术工艺研究,并从瑞士引进了先进的激光拼焊生产线,服务于部分汽车厂对激光焊接的要求;年湖南大学李力钧研制的一型激光器已应用于上海大众车门高强度镀锌钢板的激光拼焊。.激光焊接的原理及特点.激光焊接的原理激光焊接是将激光束直接照射在材料表面,通过激光与材料相互作用使材料内部熔化实现焊接的。大功率激光焊接时,通常根据是否产生小孔焊接过程被分为两种模式:热传导焊接和深熔焊接。这两种焊接方式有着不同的焊缝形成机理、能量耦合机制和焊接效果【引。当激
11、光功率密度小于/时,金属材料表面被加热到熔点与沸点之间。焊接时,金属材料表面将所吸收的激光能量被转变为热能,从而使金属材料表面温度升高而熔化,然后用热传导方式把热能传向金属内部,熔化区不断扩大而形成焊缝。在此状态下进行的激光焊接即为热传导焊,其特点是激光功率密度低,材料熔化较少,没有明显的气化现象,横截面呈半圆形, 焊接熔深浅。主要应用于薄板厚度、小工件的焊接加工。当激光功率密度大于等于/时,材料表面在激光的照射下被迅速加热,其温度在极短的时间内升高到沸点,使金属熔化或气化,产生等离子体,同时被焊材料在较大的气化膨胀压力下,产生小孔,有助于材料对激光能量的吸收,进入小孔的激光能量几乎被全部吸收
12、,在小孔底部产生剧烈的蒸发。当光束能量所产生的金属蒸汽的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后,小孔不再继续加深,形成深度稳定的小孔,该状态下的激光焊接为深熔焊。小孔随着光束的移动而运动,其形状和尺寸是稳定的。与热传导焊相比,激光深熔焊焊接具有焊接速度快、焊件变形小、焊接效率高、热影响区小以及深宽比大等特点,是实际焊接过程中最期望得到的焊接模式。就对激光被金属材料的吸收而言,激光热传导焊接和深熔焊接最根本的区别就是小孔的出现。出现小孔之前,金属材料表面对激光的吸收率随着表面温度的升高而逐渐变化,而一旦金属材料出现气化并形成小孔和等离子体,金属材料表面对激光的吸收率将会发生突变,其吸收率几乎不
13、再与金属特性、激光波长和材料表面状况有关,而主要取决于小孔效应以及等离子体与激光的相互作用等因素。如图.所示,反映了在不同辐射功率密度下熔化的演变过程【。加热弗基 箍侉导挥接 澡熔焊接 笛离子体的阻黼蕤菱熬气蕤功率鬻瘦图.不同辐射功率密度下熔化的演变过程【】.激光焊接的特点与传统的焊接方法相比,激光焊接具有其独到的优点】:激光具有很高的功率密度,可以对高熔点、难熔金属或异种金属材料,甚至非金属材料进行焊接,焊后无需热处理。例如,用传统焊接方法很难焊接的系列,采用激光焊接可以获得高强度的焊缝和良好的可成形性。激光聚焦光斑小,加热速度快,作用时间短,热影响区小,焊接应力和变形小,熔深宽比可达:,最
14、高可达:。激光焊接属于非接触性焊接,焊接装置易与计算机联机,能精确定位,具有很大的灵活性,易于实现自动化。能在室温或特殊条件下进行焊接,焊接设备简单。激光不受电磁场的影响,光束几乎不会发生偏移,激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊,可以穿过玻璃等透明物体进行焊接。激光可以在空问中长距离传播而衰减小,可以对一些难以接近的部位进行焊接;可通过光纤、棱镜等光学方法传输、偏转、聚焦,适合于微型零件及可达性很差部位的焊接。激光焊接具有熔池净化效应,能纯净焊缝金属;焊后高的冷却速度又易于使焊缝组织细化,激光焊缝组织均匀,晶粒小,气孔少,夹杂缺陷少,在机械性能、抗腐蚀性和电磁学性能上优于常规焊接方法。一
15、台激光器可提供多个工作台进行不同的工作,既可用于焊接,又可用于切割、合金化和热处理,一机多用。:激光焊接也存在以下局限性【对焊件加工、组装、定位要求比较高,且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑直径小、焊缝窄、不加填充材料。若工件装配精度达不到要求,很容易造成焊接缺陷。激光器特别是大功率激光器及相关系统价格比较昂贵,一次性投入计较大。.激光拼焊的应用及意义激光拼焊技术是基于成熟的激光焊接技术发展起来的现代加工工艺技术,是通过高能量的激光将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材焊接成一块整体板再冲压生产,以满足零部件不同部位对材料不同性能的要求。拼焊板工艺的出现解决了由传
16、统单一厚度材料所不能满足的超宽板及零件不同部位具有不同工艺性能要求的工艺问题。汽车工业一直致力于在不降低轿车结构稳定性的同时减轻车重。其中在提高汽车结构安全性的同时降低车重方面使用最成功的一项新技术便是激光拼焊技术的应用。年德国钢铁公司与大众汽车公司合作,全球第一块激光拼焊板被成功的用在 车身上,又先后在美国及印度尼西亚建立了合资公司,主要为凯迪拉克新车型提供激光拼焊车门以及其他板件。此后,汽车用激光拼焊板便在欧、美、日各大汽车厂商的整车制造中得到广泛应用哺。年武汉蒂森克虏伯中人激光拼焊有限公司成立,我国第一条激光拼焊板专业化商业生产线式投入运行。随即,合资生产的高品质车型如帕萨科、别克、奥迪
17、、雅阁等都开始采用激光拼焊板。中科院沈阳自动化研究所与日本石川岛播磨重工株式会社进行国际合作,遵循国家引进消化后再创新的科技发展战略,攻克激光拼焊若干个关键技术,于年月开发出国内第一套激光拼焊成套生产线,并成功开发了机器人激光焊接系统,实现了平面和空问曲线的激光焊接。目前激光拼焊技术如图.所示【?,已经被广泛的运用在纵梁、保险扛、门内板、地板等结构件中。诸如通用公司、大众公司、福特公司、丰罔公司、菲亚特公司等大型汽车公司都已经在他们的新车型中采用此项新技术。图.汽车拼焊板在车身中的应用【利用激光焊接技术生产的拼焊板具有巨大的优势,根据国外学者的研究,其优点达条,主要体现在以下几方面?:减轻最终
18、车身的重量。在汽车结构件的应用中,激光拼焊板的使用,减少了加强件的使用,从而降低了整体的车身重量。在同一块钢板中,通过不同材质、厚度以及强度的组合,整体的车身结构可以在很大程度上被简化。汽车的零部件数量的减少。大大提高了轿车车体结构的精度,缩减许多加工工序和冲压设备。例如在车身设计中,门内板的应用对冲压成形性能有较高的要求,这就需要采用稍微薄一点和软一点的材料。然而,在同一门内板的前部,铰链与门相连接的部位又需要足够的强度来承受门的频繁使用。在传统工艺的方法中,通过使用加强板的方法来增强门内板这一地方的强度。这件多余的板件在车间中则需要经过很多工序来完成加工,而现在,通过激光拼焊技术,在冲压工
19、序之前,先将一块软一点、大一点的、薄一点的材料与硬一点、小一点、厚一点的材料连接成一件门内板,然后再冲压成一件整体件,从而在根本上减少了对加强件的需要。提高了原材料的利用率,大大减少了废料的生成。通过在结构件特定的部位有选择性的使用各种高强度、厚度的材料从而大大提高了材料的利用率。在落料工序中通过采用排料技术,使各种钢板得到合理组合,从而材料的废料率得以大大的降低。大大提高了结构功能。由于通过激光拼焊技术,根据不同的需要,合理组合材料的强度、厚度,大大改善了结构的刚度。同时也提高了结构抗腐蚀的性能,使用激光拼焊技术主要的作用,就是通过不同强度与厚度的组合,大大提高了结构件的抗碰撞性。同时在有碰
20、撞要求的部位,使用高强度钢或厚板,而在要求低的部位,使用低强度钢或薄板,从而大大提高了汽车零部件抗碰撞的能力。激光拼焊技术是适应这种需要,通过薄板和厚板的连接或者是低强度钢与高强度钢的连接,在提高汽车安全性方面跟钢板厚度或强度等级没有变化的情况相比,优势很明显。与传统点焊工艺相比,使用激光拼焊板大大的提高了冲压件的形状精度和尺寸。从而改善车身的装配精度。这将降低了汽车的噪声和减少了整体装配的缺陷。提供了生产宽体车的可能性。由于钢厂轧机的宽度限制了钢板的宽度,而随着汽车工业的发展,汽车对大宽度钢板的需求却日趋紧迫,采用激光拼焊技术却不失为一种经济而有效的工艺方法。.国内外激光拼焊研究现状激光拼焊
21、源于上世纪年代。国内激光冷轧钢板拼焊技术年代末起步,陈洁等人采用不同的激光焊接工艺参数对不同厚度的 高强度钢进行焊接,并对焊后试样进行拉伸试验,研究不同激光焊接工艺参数对拼焊板力学性能的影响。试验结果表明:在焊接质量合格的情况下,焊接功率越高,焊接件的塑性和韧性越差。雷玉成等人选取.,.厚的板材和.厚的板材,按强度相近,厚度不同的原则,两两搭配进行激光拼焊板试验。焊后选取具有代表性的焊缝横截面进行金相组织检验,并对焊缝接头各区域进行硬度测量,分析了激光接头各区域金相组织及硬度的变化。王琦【等人采用激光拼焊的方法对.厚和.厚的镀铝锂合金薄板进行激光焊接试验,采用正交试验法研究了激光焊接不同厚度的
22、铝锂合金薄板,并且对焊接试样进行拉伸试验,分析了各种工艺参数对焊缝宽度和抗拉强度的影响。通过极差法对试验工艺参数进行处理,得到了激光焊接不同厚度的铝锂合金薄板的优化工艺参数,确定了各种焊接因素对焊缝强度影响的大小顺序。王春燕 等人首先对组成某轿车车身侧围内板的种不同厚度的激光拼焊板进行拉伸试验,得到了种拼焊板的力学性能参数。然后在试验结果的基础上,提出了基于“混合计算法”求解不同厚度的激光拼焊板焊缝处的力学性能的方法,最后将试验结果与理论分析结果进行了对比,分析采用此种计算方法产生误差的原因。国外很多学者也对激光拼焊进行了大量的研究。和用直径半球拉伸评估了焊速在成形中的作用,并进行了双相等拉伸
23、试验。【等人针对不同厚度和强度的拼焊板采用激光焊和滚压焊技术,测试了焊道的实际性能,发现激光焊道硬度高于母材,滚压焊道与母材等同。等人自年代开展了拼焊板成形的研究,在焊接工艺对拼焊板的变形影响方面已取得重要结果,有关技术已试用于、等公司。.本课题研究的内容及目标在激光焊接技术方面,国内外学者针对材料对激光束吸收、焊接温度场小孔效应、焊接过程检测及监控技术控制、焊接缺陷等丌展了一系列的研究,取得了一系列的研究成果。在围绕汽车车身覆盖件方面尤其是关于汽车车身板、镀锌钢板、冷轧钢板等材质的激光焊接研究方面,国内外研究学者大都局限于单一材质的连接,在这类材料激光焊接中,因元素挥发等导致的气孔及淬火热裂
24、纹的抑制是需解决的主要热点问题。但对于不同材质不同厚度的板材激光焊接,由于材料不同,热物理参数存在较大的差异,在连接时更易产生裂纹,淬硬倾向性大,目前,在医学界主要开展了金铂、镍铬、纯钛等异种合金金属的激光焊接可行性研究,而涉及汽车车身覆盖件方面的镀锌钢板、冷轧钢板的异种板材问激光焊接研究相对较少,且应用尚不成熟。本课题来源于湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室开放基金资助项目:汽车车身覆盖件异种金属板材的激光焊接机理及其关键技术研究和国家自然科学基金项目:激光辅助加热成形切削工程陶瓷的机理及其关键技术研究 。本文在以上两个项目的基础上,通过对镀锌钢板与冷轧钢板异种进行焊接试验,为汽车车
25、身用镀锌钢板与冷轧钢板焊接工艺选择提供理论依据和试验依据。主要内容包括:对激光焊接进行理论分析,建立激光焊接热传导模型。利用有限元软件对激光焊接温度场进行移动热源条件下三维瞬态有限元分析,分析激光焊接工艺参数对温度场的影响,通过模拟激光功率与上临近焊接速度的关系以及激光功率、焊接速度等工艺参数对焊缝尺寸的影响,确定工艺参数的大体范围,为焊接试验工艺参数的选择提供参考。在理论分析的基础上,通过正交试验法对镀锌钢和冷轧钢进行激光焊接试验,通过观察焊缝成形质量对工艺参数进一步调整,确定较合理的工艺参数。对接头进行了显微组织和力学性能分析及硬度测试。研究了激光功率、焊接速度、离焦量等工艺参数对焊缝宽度
26、及熔深的影响。第章激光焊接温度场的模拟激光焊接所用的工艺参数决定了激光焊接接头的组织和性能。在不同的工艺参数条件下,激光束对板材的加热过程以及熔池的温度场分布都不同,而用试验手段不容易测量熔池的温度,成本也比较高。因此,先用有限元数值模拟不同工艺参数条件下,激光焊接过程中温度场的分布,测量不同工艺参数下的焊缝尺寸,确定大体工艺参数范围,为下一步试验做准备。.热传导问题的描述热传导就是物体各个部分之问不发生相对位移时,依靠分子、原子以及自由电子等微观离子的热运动而产生的热量传递过程。在自然界和生产技术中到处存在着温度差,所以热量传递成为自然界和生产技术中一种很普遍的现象。热量传递有热辐射、热对流
27、和热传导三种基本形式,它们既可以单独存在,也可以同时发生【。单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度。法国物理学家约瑟夫?傅里叶提出了热传导的基本定律一傅里叶定律】: 一九鼍船一兄罢,娶/娶七式中一热流密度,单位为/;五一物体的导热系数,单位为/?;丁一温度,单位为;口丁一温度梯度,单位为/;/锄一边界外法线方向上的温度梯度。激光焊接是一个局部快速加热到高温,并随后快速冷却的过程。整个焊件的温度随时问和空刚急剧变化,材料的热物性参数也随温度剧烈变化,同时还存在熔化和相变潜热的现象。因此,焊接热传导问题属于典型的非线性瞬态热传导问题】。在一般的三维传热问题中,瞬态温度场的场变量,满足下列导热微分
28、控制方程:昙尼:罢?磊瓦瓦勺瓦瓦【尼:西此方程为热量平衡方程。式中从左往右第项为微体升温需要的热量;第,项分别为由、和方向传入微体的热量;最后项是微体内热源产生的热量。上述微分方程表明:微体升温所需要的热量应当平衡于传入微体的热量.一:姜要庀,以及微体内热源产生的热量。.对于各项同性的导热材料,。:,所以上面的方程化简为:.尸百叫窘窘窘因为焊件内部不产生热量,所以。求解导热问题,实质上归纳为对导热微分方程式的求解。对于实际解答工程问题而言,求得的解不仅要满足导热微分方程本身,而且又要满足实际问题的附加条件。一般情况下,瞬态热传导问题包括两个条件:初始条件和边界条件。初始条件:即为初始时刻温度场
29、的分布情况。一般来说,。若在初始时刻,温度场内各处温度相同,则初始条件为、瓦。边界条件】:物体边界上温度或换热情况。常见的边界条件可归纳为以下三类:给定了边界上的温度值,称为第一类边界条件:.一:锄特殊情况是等温边界条件,即物体边界上的温度值相等。给定了边界上的热流密度值,称为第二类边界条件:五竺:, 允一 , .式中,为边界上给定的热流密度,单位为/。给定了边界上物体与周围介质之问的换热系数以及周围介质的温度,称为第三类边界条件:?.一.“竽: ?式中口一换热系数,单位为/.;一焊接温度,单位为;一环境温度,单位为。.焊接温度场有限元计算模型.有限元模型的建立及网格划分模拟材料为同等厚度的镀
30、锌钢板与冷轧钢板, 工件尺寸为.平板。建立三维有限元实体模型,单元类型采用节点热单元,它既可以用于稳态热分析也可以用于瞬态热分析。定义在水平面内沿焊接方向为方向,垂直于焊接方向为方向,沿板厚方向向上为方向。为了节省计算时问,保证焊缝及其附近高温区域得到较精确的温度分布,采用了较小的尺寸单元,在远离焊缝处,由于温度变化不明显,温度梯度小采用比较大的尺寸单元【。有限元网格共生成个单元,个节点,对接中心处最小网格尺寸.,有限元网格划分如图.所示。图.模型网格划分示意图.激光焊接热源模型的选取激光焊接有两种基本模式:激光热传导焊和激光深熔焊。针对激光热传导焊,计算温度场一般采用二维面热源处理。二维面热
31、源的能量分布为高斯分布,如图.所示【 ,其函数表达式为:图.表面高斯热源模型【帕 .一.意式中厂一热源有效加热范围内半径为厂处的热流密度;。一热源加热斑点中心处的最大热流密度;点离光束中心的距离;尺热源的有效加热半径。针对激光深熔焊,由于激光束具有能量密度高,加热范围集中及存在小孑效应等特点引,用于模拟普通熔化焊的高斯热源模型不适于描述这一过程,而较多采用双椭球体热源模型 。如图.所示为双椭球体热源模型图.双椭球体热源模型【图中前半部分是/个椭球,后半部分是/个椭球。参数、,可有不同的值,它们是相互独立的。设前后两部分椭球的能量分数分别为、厶且五。前半部分椭球内热源分布函数:亿,撕,篷唧卜烈州
32、圳后半部分椭球内热源分布函数:亿?。,如,篷唧卜抓州圳有关试验研究表明,三维的热源模型计算能真实体现焊接的热过程,因此,本文选用双椭球体热源作为热源模型。.材料物理性能参数的确定金属材料的物性参数如比热容、导热系数、换热系数、密度等一般都随温度的变化而变化。当温度变化范围不大时,可采用材料物性参数的平均值进行计算。但焊接过程中,焊件局部加热到很高温度,整个焊件温度变化剧烈,如果不考虑温度变化对材料物性参数的影响,那么计算结果一定会有很大的误差,所以在焊接温度场的模拟计算中一定要给定材料的各项物理性能参数随温度的变化值。由于密度受温度影响很小,本文只考虑热传导系数、比热容以及换热系数的温度相关性
33、,通过查阅相关资料,可以获得镀锌钢、冷轧钢部分温度下的物理性能参数,如表.、.所示【。密度温度 导热系数允 比热容 / / .初始条件和边界条件的处理焊件的边界由于与外界存在温度差而与周围介质换热,其中包括对流和辐射换热【 。研究表明,在焊接时热量的损失主要是通过辐射,而对流作用相对较小。温度越高则辐射换热作用越强烈。为了方便计算考虑总的换热系数,即加大对流系数来实现边界条件的简化。因此,因边界换热而损失的热量可表示为:.吼一瓦式中:丁一焊件表面温度;瓦一周围环境温度;一表面换热系数。其中愿屈,孱为对流换热系数,孱为辐射换热系数。由于本文焊后钢板处于自然冷却状态,换热系数参考文献,】,取/.。
34、初始条件:环境温度。/?。选用第三类边界条件:表面换热系数.相变潜热的处理在焊接的过程中存在两中相变问题:一中是材料的金相组织转变,即为固态相变;另一种是材料的凝固和熔化,即为固液相变。材料发生相变时,会释放或者吸收定的热量,所以在模拟焊接温度场时,必须要考虑相变潜热的问题,否则,计算结果出现很大的误差。同固态相变潜热相比,一般情况下固液相变潜热要小的多,通常将其忽略,但是在焊接高强钢时必须要考虑它的影响。处理固液相交潜热很多方法,例如等。温法、等价比热容法和热焓法等等温法当材料凝固或熔化时,假定此时的温度不变,当潜热全部放出或吸收之后,温度继续下降或上升。设此时的熔化潜热为】,比热容为,则令
35、五/.,当加热过程中,如果某点的温度在某一时刻超过熔点乙后,令该点温度丁仍将为乙,此时丁一已。然后再计算下一个时间步长,当丁的积累量达到瓦时,此后潜热的影响结束。如果该点温度继续上升,将以同样的方法处理。等价比热容法单位质量的物体降低单位温度时所释放出来的热量称为比热容。此外比热容也可以理解为单位质量金属在凝固温度范围内降低单位温度所释放的热量,实际上比热容包括物体的真正比热容和潜热引起的比热容的增加量,此比热容被称为有效比热容或等价比热容。可按下列式子计算:. /丁. 。其中为不考虑潜热时的比热容,为潜热引起的比热容增加量,丁为凝固温度区间,为熔化潜热。热焓法通过输入材料的焓值随温度的变化来
36、处理相变过程中的潜热,焓的定义为:. 式中为焓,为内能,、分别为压力和体积。. /占其中为热焓,、分别为密度、比热和绝对温度,当某一节点的温度跨过熔点或相交点时,会有一定的焓变,通过这个焓变值就可以把潜热考虑进去。本文选择等价比热容法,考虑相变潜热的影响,通过查阅文献,可知,纯铁的熔化潜热为./,由于合金的熔化潜热要比相对应的纯金属低,镀锌钢的熔化潜热大约为/,冷轧钢的熔化潜热大约为 /,丁大约为,所以镀锌钢的/丁. /,冷轧钢的/丁. /。.加载与求解否前沿接点加载完毕求后沿作用范围内的节点编号并加载否热源移动到下一个后沿接点加载完毕节点?删除所有节点的至翥源移动完毕图.加载求解流程图焊接仿
37、真时,要将热源模型中的热量加载到有限元模型对应的节点上。本文在有限元模型的基础上建立局部球坐标系,根据双椭球热源模型的参数选择立体范围内节点,把前后半球热源函数离散成相应的数组,存放相应节点的,然后,把前后沿的分别加载到相应的节点循环来实现热源的移动。最后进入求解器,首先定义分析类型及分析选项,一般情况一卜首先使用表明进入了一个新的有限元分析,然后根据实际要求,将三维温度场的分析类型设置为瞬态分析,同时,在非线性的瞬态分析中,激活时问积分效应。加载求解流程如图.所示。.模拟结果及分析.激光拼接温度场的特点当激光功率为,焊接速度为/,离焦量为时,不同时刻件上表面整体及局部放大的温度场模拟结果如图
38、.所示。、.图.不同时刻温度场的分布图从图中可以看出焊接刚开始时温度场并不稳定,经过一段时问以后,温度场趋于稳定,形成准稳态温度场,温度场形状呈椭圆形,最高温度达到。,这时工件上各点温度虽然随时间变化,但是各点以固定的温度跟随热源移动,即温度场与热源以相同的速度移动。如图.所示为时工件上表面温度场局部放大图,从图中可以明显的看出,当光斑中心位于两板对接中心上,所加热流密度相同时,温度场分布不均匀,向镀锌钢一侧偏移,这是由于镀锌钢的导热系数低于冷轧钢,焊接时在镀锌钢一侧传热慢,热积累量大所致。图.温度场局部放大图如图.所示为,光斑中心向冷轧钢一侧偏移.时,工件上表面温度场局部放大图,从图中可以看
39、出,温度场分布相对均匀,没有出现偏移,从而克服了因两种板材物理性质的差异所引起的传热不均匀,导致的温度场偏移。图.温度场局部放大图如图.所示为焊缝中心处沿焊缝方向,上表面不同三点的温度随时间的热循环曲线,从图中可以看出,随着热源的移动,温度先升高,当移动到该节点时,该点的温度迅速升高到材料的熔点并超过熔点,平均温度梯度达到/,当热源经过之后,温度迅速下降。哇叩加叩伯叩越蚂印加加患. . . .鼍 甘。 . . .时间,图.工件中心不同点处的热循环曲线如图.所示为时,垂直于焊缝的方向,工件上表面各节点的温度随距离变化的关系曲线,从图中可以看出,焊缝中心处温度最高,随着离焊缝中心距离的不断增大,温
40、度越来越低。同时在竖轴上温度为 的点沿平行于横轴划直线,与曲线相交于、两点,、两点之间的距离即为焊缝理论宽度为。:赵 ., 赠&强. .母. . .距离,锄图. 方向节点温度随距离的变化关系曲线如图. 所示为时,垂直于焊缝的方向,工件内部横截面各节点的温度随距离变化的关系曲线,从图中可以看出,工件表面的温度较高,随着沿深度的点沿平行于方向距离的不断增大,温度越来越低。同时在竖轴上温度为横轴划直线,与曲线相交于、两点,、两点之间的距离即为焊缝理论熔深为.。魁蚂】.口. . . . . . . . .距离,图. 方向节点温度随距离的变化关系曲线.焊接工艺参数对温度场的影响在激光焊接过程中,影响温度
41、场的因素很多,这里主要分析激光功率、焊接速度对温度场的影响规律。. .: : 刚仪. . .、 、.:;.;、图.激光功率对工件上表面温度场分布的影响.激光功率对温度场的影响在实际的焊接过程中,焊接功率是影响焊接质量的一个重要工艺参数,它是由焊接工艺本身确定,但在利用进行有限元分析时,这一参数对模拟结果有着重要的影响,对于同一种热源,由于激光功率的不同,导致热输入的差异,进而影响温度场的分布。选择焊接速度/,离焦量为,激光功率分别为 、,模拟温度场的分布规律。激光功率对工件上表面温度场的影响如图.所示为不同功率条件下,工件上表面温度场的分布规律。从图中可以看出,中心区域温度很高,达到了材料的熔
42、点;功率越大,工件上表面熔化的区域就越大;对于工件上表面热影响区域内的任何一点,随着激光功率的提高,该点温度继续上升。当激光束静止不动时,温度场分布呈圆形,但当激光束以一定的速度移动时,温度场呈椭圆形,而且功率越大,温度场尾部拖的越长,因此,激光功率过大,热影响区越大,冷却速度越慢,热影向区晶粒越大,从而影响焊接接头的组织性能。. . 矾 : : ; 日州【舣. . . .;. ;、.:尉 瞰. 一图.激光功率对工件内部温度场分布的影响激光功率对工件内部温度场的影响激光功率对工件内部温度场的影响可以通过观察横截面上温度场变化得到。如图.所示,为不同激光功率条件下,工件横截面平面温度场的分布规律
43、。从图中可以看出,随着激光功率的增加,工件内部熔深逐渐加深,焊缝宽度不断增大,热影响区域也不断扩大。因此,在激光焊接过程中,提高激光功率,在增加熔深的同时,使焊接接头的焊缝宽度也增大,热影响区的范围也被扩大。.焊接速度对温度场的影晌在激光焊接中,焊接速度也是影响焊接质量的一个重要工艺参数,在激光功率相同的条件下,焊接速度将直接影响工件的热输入量,从而影响焊接接头的热影响区范围和温度场分布,选取激光功率 ,离焦量为 ,焊接速度分别为/、/、/,模拟温度场的分布规律。焊接速度对工件表面温度场的影响如图.所示,为工件上表面温度场分布规律。. .: : 咐;一;伍; . . . .: . ;、/图.
44、焊接速度对工件上表面温度场的影响从图中可以看出,当焊接功率一定时,随着焊接速度的增加,焊接热输入量就减小,温度场范围变大,中心的最高温度明显降低。温度场成椭圆形,且随着焊接速度的增加,尾部拖的越长,熔池前沿部分温度梯度越来越密集,说明前沿的热流密度随着焊接速度的增加而增大。在焊接中适当提高焊接速度,将降低工件上表面温度,有利于减少镀锌钢板表面镀锌层的灼烧。焊接速度对工件内部温度场的影响焊接速度对工件内部温度场的影响可以通过观察横截面上温度场变化得到。如图.所示,为不同焊接速度条件下,工件横截面平面温度场的分布规律。 . : :乙 鬻 .黉戮鬓豢藤隧 . .; .: 】、一.图.激光功率对工件横截面温度场分布的影响从图中可以看出,当激光功率一定时,随着焊接速度的增加,工件上热影响区的深度减小,宽度基本不变。这是由于焊接速度的增加,减少了工件上各点