激光加工數(shù)值模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀激光加工數(shù)值模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀

激光焊接數(shù)值模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀

摘要：介紹了激光焊接數(shù)值模擬技術(shù)在激光焊接溫度場(chǎng)分析、激光焊接應(yīng)力應(yīng)變分析、激光焊接熔池流動(dòng)場(chǎng)分析、激光焊接接頭微觀組織分析方面的研究現(xiàn)狀, 并對(duì)激光焊接數(shù)值模擬技術(shù)在這幾方面的模擬方法、原理及模型的建立進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。 最后, 對(duì)我國(guó)焊接數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：激光焊接 數(shù)值模擬 溫度場(chǎng) 應(yīng)力應(yīng)變 熔池模擬 接頭

1.引言

激光焊接是利用高能量的激光光束作為熱源照射到材料表面從而使材料汽化、熔化并冷卻結(jié)晶形成焊縫的一種先進(jìn)焊接方法。由于具有高能量密度，高效率，高精度，柔性好等優(yōu)點(diǎn)，激光焊接受到了廣泛的重視，并且已經(jīng)應(yīng)用到了航天航空，汽車(chē)制造等材料加工的領(lǐng)域。

隨著激光焊接應(yīng)用的增加，人們對(duì)激光焊接過(guò)程的研究也更加重視。在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于焊接學(xué)科之前，人們?yōu)榱四承┎牧现贫ê线m的激光焊接工藝，往往需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，耗費(fèi)大量的物力人力財(cái)力。因此，建立激光焊接的數(shù)學(xué)模型并對(duì)激光焊接進(jìn)行全過(guò)程的模擬仿真，對(duì)于預(yù)測(cè)焊接結(jié)果，實(shí)現(xiàn)激光焊接工藝參數(shù)預(yù)選和優(yōu)化，減少工藝試驗(yàn)次數(shù)，甚至控制激光焊接過(guò)程，防止出現(xiàn)焊接缺陷都具有十分重要的意義。

2.焊接數(shù)值模擬發(fā)展歷史

焊接過(guò)程的數(shù)值模擬研究由來(lái)已久。70年代，有限元法逐漸在焊接溫度場(chǎng)分析計(jì)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溫度場(chǎng)，并編制了簡(jiǎn)單的溫度場(chǎng)計(jì)算程序。1976年，Krutz在博士論文中專(zhuān)門(mén)研究了利用焊接溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)接頭強(qiáng)度的問(wèn)題。隨著80年代末90年代初，熱彈塑性計(jì)算理論的逐步完善，焊接應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值模擬也逐漸發(fā)展起來(lái)并日益成熟。同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也為焊接數(shù)值模擬提供了更有力的支持，使人們能夠進(jìn)一步對(duì)激光焊接的接頭組織，熔池流動(dòng)等進(jìn)行更深入的數(shù)值模擬研究。

3.激光焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生溫度場(chǎng), 對(duì)其數(shù)值模擬的研究已廣泛應(yīng)用到焊接領(lǐng)域。焊接構(gòu)件時(shí)會(huì)出現(xiàn)很多情況, 例如裂紋、凝固等。對(duì)不均勻溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬, 可以更好地研究其產(chǎn)生的原因及對(duì)其他性能的影響。

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

焊接時(shí)，焊件各點(diǎn)的溫度會(huì)隨著熱源的移動(dòng)和時(shí)間的變化而變化。焊件上個(gè)點(diǎn)在瞬時(shí)的溫度分布稱(chēng)為焊接溫度場(chǎng)。焊接過(guò)程屬于動(dòng)態(tài)熱傳導(dǎo)過(guò)程，因此對(duì)于該過(guò)程的研究，重點(diǎn)是對(duì)焊縫處材料溫度變化的規(guī)律，所以可以只考慮熱傳導(dǎo)而忽略對(duì)流等特殊狀況對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。作為三維熱傳導(dǎo)問(wèn)題，其控制方程為：

(2-1)

對(duì)于上述方程，通過(guò)給定溫度場(chǎng)的邊界條件，利用有限元法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，建立有限元模型，求得有限元方程，然后進(jìn)行求解。

對(duì)于瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題，在能量守恒理論的基礎(chǔ)上，瞬態(tài)的有限元求解方程可以表示為：

(2-2)

這是一組以時(shí)間t為獨(dú)立變量的線性常微分方程組，通過(guò)引入初值，對(duì)其求解可以得到相應(yīng)的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。

3.2 熱源模型的選取

早期研究中，激光焊接的熱源模型主要是“線”“點(diǎn)+線”“點(diǎn)+線+面”。近年來(lái)，體熱源模型被深入研究，人們提出了諸多有效的激光焊接溫度場(chǎng)的熱源模型，如橢球模型，雙橢球模型，高斯體熱源模型，旋轉(zhuǎn)高斯體熱源模型，等等。通過(guò)實(shí)際的溫度場(chǎng)計(jì)算，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，旋轉(zhuǎn)高斯體熱源模型更加適合激光焊接溫度場(chǎng)的計(jì)算。

圖1 旋轉(zhuǎn)高斯體熱源

旋轉(zhuǎn)高斯體熱源能夠模擬出激光焊接中典型的“釘頭”和“深熔”現(xiàn)象，與實(shí)際的焊縫截面具有很好的一致性，能彌補(bǔ)雙橢球類(lèi)熱源模擬的缺點(diǎn)。

3.3 溫度場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果的影響因素

不同的潛熱處理方式對(duì)溫度場(chǎng)的影響很大。與假定潛熱在固液相線間以恒定速率釋放的計(jì)算結(jié)果相比, 實(shí)測(cè)方法計(jì)算出的熔池尺寸相對(duì)較窄,但對(duì)低溫處的溫度影響不大。熔池內(nèi)的對(duì)流傳熱加快了傳熱速度, 因此對(duì)焊接溫度場(chǎng)也有很大的影響。當(dāng)考慮了熔池內(nèi)的對(duì)流傳熱影響時(shí), 計(jì)算出的熔池尺寸及其附近溫度場(chǎng)等溫線比不考慮時(shí)也變寬了, 而對(duì)遠(yuǎn)離熔池的溫度場(chǎng)影響不大。如果只是焊接線能量相同, 焊接參數(shù)改變時(shí),等溫線的形狀和尺寸也會(huì)發(fā)生很大變化。大電流快速焊情況下焊接熔池及溫度場(chǎng)變得很狹窄, 反之會(huì)很寬。

4.激光焊接應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值模擬

由焊接過(guò)程產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力，應(yīng)變及其隨后形成的殘余應(yīng)力和變形，是導(dǎo)致焊接裂紋和接頭強(qiáng)度性能下降的重要因素。激光焊接應(yīng)力-應(yīng)變的數(shù)值模擬分析,可以計(jì)算出焊接過(guò)后的殘余變形和殘余應(yīng)力，從而為激光焊接接頭的性能分析提供了可靠的依據(jù)，為結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量分析提供了有效的分析手段。

4.1 理論的發(fā)展

20世紀(jì)70年代以來(lái),上田幸雄等人提出了考慮材料力學(xué)性能與溫度有關(guān)的2維和3維焊接熱彈塑性有限單元法，并發(fā)展成為一門(mén)新的學(xué)科“計(jì)算焊接力學(xué)”。他們對(duì)多道焊、角焊和圓周型壓力容器焊接的殘余應(yīng)力和變形進(jìn)行了3維熱彈塑性有限元分析，并得出了滿(mǎn)意的結(jié)論。此后，他

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机仿真模拟在焊接工艺的应用,激光加工数值模拟技术研究现状.doc的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。