張 坤

（青海大美煤業(yè)有限公司烯烴廠，西寧 810007）

Invar36合金激光焊接Ansys仿真

張 坤

（青海大美煤業(yè)有限公司烯烴廠，西寧 810007）

本文對(duì)Invar36合金激光焊接過程進(jìn)行了ansys仿真，驗(yàn)證了激光焊接具有高功率密度，較小的熱影響區(qū)，較大的焊接深度，較窄的焊縫等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)低應(yīng)力及低變形焊接。

激光焊接；invar36合金；ansys仿真

1 引言

Invar36是C.E.Guilleaume發(fā)現(xiàn)的FCC-γ相組織結(jié)構(gòu)的合金。這種合金以其非常低的熱膨脹系數(shù)而備受關(guān)注［1］。該合金一般應(yīng)用在一定溫度范圍內(nèi)對(duì)膨脹尺寸要求非常嚴(yán)格的場(chǎng)合，如何更好的焊接invar合金成為一個(gè)亟待解決的問題。

激光焊接是迅速的且非平衡的熱循環(huán)過程，在焊縫附近存在很大的溫度梯度，在焊縫處同樣存在殘余應(yīng)力和不同程度的變形，上述這些情況都是影響焊接質(zhì)量和使用性能的重要因素［2］。因此了解焊接過程中溫度的變化對(duì)也焊接質(zhì)量和焊接結(jié)構(gòu)具有重要意義。但是傳統(tǒng)焊接過程中的溫度測(cè)量是相當(dāng)困難的，激光焊接過程中的溫度測(cè)量就更困難了。為了了解焊接過程中溫度場(chǎng)的變化，我們借助了計(jì)算機(jī)和分析軟件采用了數(shù)值模擬分析的方法對(duì)焊接過程進(jìn)行仿真［3-5］。

2 建立模型

模型基于以下熱傳導(dǎo)微分方程：

材料屬性隨溫度變化，高溫材料屬性通過內(nèi)插值原則獲得。材料熔融狀態(tài)下的潛熱通過熱焓的方式計(jì)算。

模型采用solid70單元，并使用plane55單元作為表面效應(yīng)單元進(jìn)行單元格優(yōu)化。為了減少計(jì)算了，降低計(jì)算時(shí)間，在靠近焊縫區(qū)域采用密集網(wǎng)格，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)采用稀疏網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。因?yàn)楹缚p的對(duì)稱性，我們選取了對(duì)稱的一半進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)一步節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。

圖1 網(wǎng)格劃分Fig.1 Meshing model

3 熱源及邊界條件

模型采用高斯熱源，使模型更加接近實(shí)際熱源，高斯熱源表達(dá)式如下所示：

qmax為最大熱流密度，R為有效的激光光斑半徑，r為距離光斑中心的距離。

模型初始條件設(shè)定環(huán)境溫度25℃，忽略熱輻射的影響。由于只對(duì)一半焊縫進(jìn)行仿真，因此焊縫對(duì)稱面進(jìn)行絕熱處理。

4 仿真結(jié)果分析

圖2和圖3為時(shí)間2.6S和5S時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖，圖4為時(shí)間1S時(shí)等溫面圖，由圖2和圖3可以看出，激光焊接區(qū)域，中心溫度達(dá)到了3359℃，但是距離焊縫稍遠(yuǎn)一點(diǎn)，溫度就有了大幅度的突降，由圖4可以更直觀的看出溫度的這種突變。由此可以說明激光焊接具有非常高的能量密度，極大的溫度梯度，進(jìn)而使焊縫具有較大的深度及較窄的寬度，這樣就形成了較小的熱影響區(qū)，降低了焊接應(yīng)力和焊接變形。

圖2 2.6S時(shí)溫度場(chǎng)分布圖Fig.2 Temperature field dist ribution at 2.6S

圖3 5S時(shí)溫度場(chǎng)分布圖Fig.3 Temperature field distribution at 5S

圖4 1S時(shí)等溫面分布圖Fig.4 Isosur face Temperature Field at 1S

Invar36合金的熔點(diǎn)為1430℃，因此溫度高于1430℃的區(qū)域均為良好的焊接區(qū)域，由圖2和圖3看出，激光實(shí)現(xiàn)了良好的invar36合金的焊接。

圖5為焊縫上選取的5個(gè)點(diǎn)的時(shí)間歷程曲線，即這5個(gè)點(diǎn)隨焊接時(shí)間進(jìn)行的溫度變化。由圖5容易看出，激光焊接是一個(gè)溫度急劇上升和急劇降低的過程，這種溫度的急劇變化可以使焊接區(qū)域金屬晶粒細(xì)化，提高焊接區(qū)域金屬性能。

圖5 時(shí)間歷程曲線Fig.5 Curve of time-history

5 結(jié)論

對(duì)激光焊接invar36合金進(jìn)行了ansys仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了激光焊接過程激光焊接具備高能量密度，高溫度梯度，低熱影響區(qū)和低變形，激光焊接溫度的突變提高了材料性能。

［1］ Salyo-ku，Invar alloys Department of Materials Science and Engineering.Kyoto 606-01，Japan：340～347

［2］ 關(guān)振中.激光加工手冊(cè)［M］.北京，中國(guó)計(jì)量出版社 1998.109～132

［3］ James D.Van de Ven and Arthur G.Erdman.Laser transm ission welding of thermoplastics-part I：temperature and pressure modeling.Mechanical Engineering Department，University of Minnesota. October 2007，Vol.129：849～858

［4］ James D.Van de Ven and Arthur G.Erdman.Laser transm ission welding of thermoplastics-part II：Experimental Model Validation.Mechanical Engineering Department，University of Minnesota. October 2007，Vol.129：859～867

［5］ K.S.Suresh，M.Roopa Rani，K.Prakasan，R.Rudramoorthy.Modeling of temperature distribution in ultrasonic welding of thermoplastics for various joint designs.Journal of materials processing technology 186（2007）：138～146