王 金，褚超美，顧健華，劉純真

（1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海200093；2.上海汽車變速器有限公司，上海201800）

1 引言

激光焊接與傳統(tǒng)的熔化焊相比，具有焊接速度快，效率高，熱輸入小，焊縫質(zhì)量好等優(yōu)勢[1]。激光焊接過程是一個快速、不均勻的熱循環(huán)過程，溫度梯度較大。其影響主要體現(xiàn)在以下兩方面：一方面，焊縫區(qū)域會在不均勻溫度場的作用下產(chǎn)生較大的熱變形，引起焊接件開裂，降低壽命，這直接影響到焊接件的質(zhì)量和使用性能[2]。另一方面，在高溫環(huán)境下，焊接件結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)不同程度的殘余應(yīng)力，并引起焊件變形，同時焊接結(jié)構(gòu)會進(jìn)入塑性狀態(tài)，產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形，焊接件受熱膨脹，會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。因此，深入研究焊接結(jié)構(gòu)溫度場的分布，準(zhǔn)確認(rèn)識焊接熱過程是十分必要的，對后續(xù)的焊接應(yīng)力與變形預(yù)測控制、組織性能分析具有重要意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外許多學(xué)者現(xiàn)多采用數(shù)值模擬分析方法來研究焊接過程中的溫度場[3-5]。數(shù)值模擬方法不僅能有效地節(jié)約生產(chǎn)成本，而且能深入再現(xiàn)焊接過程，能夠更加深入地研究焊接過程中的溫度場，現(xiàn)已被越來越多的采用。采用專業(yè)焊接有限元計(jì)算軟件SYSWELD，以某汽車雙離合自動變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）內(nèi)片支架與花鍵軸為研究對象，建立激光焊接三維有限元數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行仿真模擬，研究了焊接結(jié)構(gòu)的溫度場分布情況。

2 焊接模擬的基本參數(shù)

2.1 焊接材料

DCT 離合器內(nèi)片支架的材料為S355J2G3，花鍵軸的材料為16MnCr5。進(jìn)行熱學(xué)數(shù)值計(jì)算時，需用到材料隨溫度變化的熱物理性能參數(shù)，其中包括導(dǎo)熱率、比熱容、彈性模量和屈服強(qiáng)度。借助于軟件自帶的Jmatpro 軟件，計(jì)算以上熱物理性能參數(shù)值，得到的材料性能參數(shù)，如表1、表2 所示。

表1 S355J2G3 材料性能參數(shù)Tab.1 Material Performance Parameters of S355J2G3

表2 16MnCr5 材料性能參數(shù)Tab.2 Material Performance Parameters of 16MnCr5

2.2 焊接工藝參數(shù)

仿真所采用的激光器型號為PRC4000-CO2，激光焊接的焊縫為圓環(huán)形焊縫，激光焊接具體工藝參數(shù)，如表3 所示。

表3 激光焊接工藝參數(shù)Tab.3 Laser Welding Parameters

3 有限元計(jì)算模型的建立

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

對激光焊接溫度場的分析，屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題[6]，其控制方程為：

式中：ρ—密度；c—比熱容；λ—熱導(dǎo)率，是關(guān)于溫度T的函數(shù)內(nèi)熱源強(qiáng)度，由于焊接本身不產(chǎn)生熱量，即

3.2 有限元建模及網(wǎng)格劃分

汽車雙離合器內(nèi)片支架作為離合器的從動部分，對外承托摩擦片與離合器鋼片，共同承受摩擦片與離合器鋼片結(jié)合時從發(fā)動機(jī)端傳遞來的扭矩，帶動從動軸一起轉(zhuǎn)動[7]。按照焊接結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸大小，借助于UG 建立目標(biāo)DCT 內(nèi)片支架與花鍵軸的三維模型，如圖1（a）所示。

圖1 三維結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分模型Fig.1 Three Dimensional Structure Model and Grid Partition Model

為了節(jié)省計(jì)算時間并且能夠保證計(jì)算精度，采用非均分網(wǎng)格。采用4 節(jié)點(diǎn)四面體單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在焊縫區(qū)域采用較細(xì)的網(wǎng)格，總共劃分為70660 個節(jié)點(diǎn)，163400 個單元。模型網(wǎng)格劃分，如圖1（b）所示。

3.3 邊界條件的設(shè)置

3.3.1 熱邊界條件

此焊接工件是在室溫下進(jìn)行焊接，在SYSWELD 中，熱邊界條件定義為初始室溫20℃。在激光焊接過程中，焊接熱源與周圍區(qū)域以及焊接工件與空氣之間存在熱對流和熱輻射現(xiàn)象。熱輻射對本次模擬影響較小，因此，只考慮熱對流。

3.3.2 約束條件

本模擬建立DCT 內(nèi)片支架與花鍵軸焊接結(jié)構(gòu)模型的位移約束邊界條件，即通過對內(nèi)片支架、花鍵軸內(nèi)邊緣的多個對稱節(jié)點(diǎn)的自由度施加位移全約束。

3.4 熱源選擇及校核

對于激光焊接，考慮到激光熔池和匙孔對焊接區(qū)域的影響，采用雙橢球形熱源模型，其熱流密度分布在橢球體內(nèi)，能夠更精確地模擬焊接溫度場[8]。熱源模型，如圖2 所示。熱源的熱流分布為：

圖2 雙橢球形熱源模型Fig.2 Double Ellipsoidal Model

式中：r2=x2+y2；R0=Re-（Re-Ri）（Ze-Z）/（Ze-Zi）；q0—熱源最大能量密度（W/mm3）；Re—上表面最大特征半徑（mm）；Ri—上表面最大特征半徑（mm）；R0—與深度有關(guān)的熔池半徑（mm）。

借助SYSWELD 熱源校核工具，對熱源模型進(jìn)行校核，得到了焊縫橫截面的試驗(yàn)結(jié)果和熔池形貌的計(jì)算結(jié)果的對比，如圖3所示。

圖3 焊縫實(shí)物圖與仿真計(jì)算結(jié)果對比Fig.3 Comparison of Practicality Picture of Welded Seam and Simulation Results

由圖可知激光焊縫是“釘形”焊縫，深寬比較大，仿真計(jì)算得到的結(jié)果與試驗(yàn)所得的焊縫橫截面的熔化區(qū)和熱影響區(qū)大小相當(dāng)、形狀相似，驗(yàn)證了所建立熱源模型的可靠性。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 焊接溫度場分布特征

焊接溫度場分布特征，如圖4 所示。焊接開始后，溫度便迅速升高，如圖4（a）和4（b）所示。t=0.5s 時刻，焊接工件上的最高溫度大約在1736℃，溫度已經(jīng)達(dá)到材料的熔點(diǎn)（1500℃），故材料開始熔化，熔池此時開始形成；焊接時間達(dá)到2.5s 時，形成了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場；焊接結(jié)束（9s）時，溫度場在長度和寬度方向上基本保持不變，等溫線隨著激光光斑一同向前移動，如圖4（c）所示。冷卻到第13.5s 時，如圖4（d）所示。峰值溫度為287℃，焊接區(qū)域一直冷卻直至到室溫。

圖4 不同時刻的焊接溫度場分布云圖Fig.4 Distribution of Welding Temperature Field at Different Moments

從圖中還可以看出，焊接熱源不斷向前移動，熱源前方的溫度梯度大，等溫線密集，熱源后方的溫度梯度小，等溫線稀疏，呈拉長的橢圓形狀，熔池上表面呈典型的卵形分布。

4.2 焊縫中心各點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

取焊接線上的焊接起始點(diǎn)為0°位置，分別在0°、90°、180°、270°取四個參考點(diǎn)進(jìn)行仿真，得到四個特征點(diǎn)的熱循環(huán)曲線，如圖5 所示。在90°、180°、270°這三個位置處的參考點(diǎn)，熱循環(huán)曲線趨勢相同，到達(dá)峰值溫度的時間不同。這主要是因?yàn)榧す鉄嵩囱刂附泳€向前移動，到達(dá)這三個位置處的先后順序不同，而焊接過程一直處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，熱循環(huán)曲線分布除了到達(dá)峰值溫度的時間不同外，變化趨勢基本相同；而0°位置熱循環(huán)曲線比較特殊，其原因是內(nèi)片支架與花鍵軸形成的焊縫是一個封閉圓環(huán)形焊縫，0°位置是焊接的起始點(diǎn)也是終點(diǎn)，從而在該位置產(chǎn)生兩個加熱-冷卻過程。

圖5 沿焊縫線方向不同位置熱循環(huán)曲線Fig.5 Thermal Cycling Curve at Different Directions Along the Weld Line

4.3 垂直于焊縫方向各點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

在垂直于焊接線方向上依次取距離中心線0mm、1.5mm、3.5mm、5.5mm、7.5mm、9.5mm、11.5mm、13.5mm 和15mm 九個特征點(diǎn)，各點(diǎn)的熱循環(huán)曲線，如圖6 所示。

圖6 距焊縫線不同點(diǎn)的熱循環(huán)曲線Fig.6 Thermal Cycling Curve at Different Points of Weld Center

由圖6 可見，在焊接過程中，垂直于焊縫線上各點(diǎn)的熱循環(huán)曲線趨勢基本一致，先迅速升溫，達(dá)到最高溫度之后，再慢慢冷卻至室溫；各特征點(diǎn)的升溫速度比冷卻速度要快得多，這是因?yàn)殡S著熱源遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)，熔池開始慢慢冷卻，但仍會受到后面熔池的影響，從而冷卻速度會降低，最終都會冷卻至室溫。從圖中還可以看出在焊縫線中心（0～3.5）mm 處，此區(qū)域焊接件受到不均勻溫度場的作用，焊接區(qū)峰值溫度在（900～2340）℃之間，這個溫度遠(yuǎn)高于周圍區(qū)域。焊接區(qū)的材料為低碳鋼，而低碳鋼的熱變形溫度一般控制在1000℃[9]，這個區(qū)域的峰值溫度基本上都超過了熱變形溫度，材料受到熱膨脹，屈服強(qiáng)度下降，熱應(yīng)力迅速增大，此處最容易發(fā)生熱變形，焊縫的熱影響區(qū)容易出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致焊接件結(jié)構(gòu)失效。

4.4 焊縫相的演變過程

焊接過程中溫度激增會影響金屬組織的相變，這對焊接冶金和焊接接頭組織性能的預(yù)測有很重要的意義[10]。現(xiàn)取焊縫線上焊接接頭處（節(jié)點(diǎn)45274），研究其相演變過程，如圖7 所示。焊接時間為6.5s 左右時，處于升溫階段，焊初始相由鐵素體開始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；27s 時，焊接已經(jīng)結(jié)束，節(jié)點(diǎn)處于冷卻降溫階段，奧氏體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，同時伴隨著生成少量的粒狀貝氏體。由于高溫停留時間極短，高溫作用下的奧氏體晶粒不會產(chǎn)生粗大化現(xiàn)象，從而當(dāng)焊縫冷卻后，熱影響區(qū)的顯微組織主要為馬氏體。由圖中還可以看出，各相的比例關(guān)系總是確定的，馬氏體約占整體的95%，貝氏體約占5%，可以預(yù)測，焊接接頭將具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性。

圖7 焊接接頭（節(jié)點(diǎn)45274）的相演變過程Fig.7 Phase Evolution Process of Welded Joints（Node45274）

5 結(jié)論

（1）采用數(shù)值模擬方法，建立了DCT 內(nèi)片支架與花鍵軸的激光焊接三維有限元數(shù)值計(jì)算模型，模型采用了雙橢球形熱源，實(shí)際焊接試驗(yàn)獲得的焊縫截面和仿真模擬得到的焊縫截面形貌基本吻合。

（2）溫度場仿真結(jié)果顯示，焊縫區(qū)域溫度梯度分布較大，焊接時間為2.5s 時，溫度場進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)；激光焊接的焊縫為圓環(huán)形焊縫，在焊接接頭處存在二次加熱；垂直于焊縫線不同的點(diǎn)，焊接熱循環(huán)曲線趨勢基本相同，各點(diǎn)的升溫速度高于冷卻速度，距離焊縫線（0～3.5）mm 處，此區(qū)域的最高溫度超過了熱變形溫度，容易產(chǎn)生熱應(yīng)力，發(fā)生熱變形。

（3）通過對焊縫及熱影響區(qū)相組織演變過程的模擬，可以確定焊接過程中相變成分的比例，即95%的馬氏體加5%的貝氏體。焊接接頭處的金屬組織主要成分為馬氏體，在此工藝下，焊接接頭具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性。