康 悅，占小紅，封小松，夏佩云

（1.南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

0 引言

鋁合金因其具有比強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕及易加工成形等優(yōu)點(diǎn)，已被大量地應(yīng)用于大型客機(jī)和高鐵制造業(yè)中。6061 鋁合金是Al-Mg-Si 系可熱處理強(qiáng)化鍛鋁合金，高溫時(shí)其塑性良好，在退火處理后仍能保持優(yōu)良的操作性［1］。盡管6061 鋁合金在高溫下具有良好的塑性，但強(qiáng)度不高，然而由于其具有優(yōu)良的耐蝕性，且無(wú)晶間腐蝕傾向，因此焊接性能良好［2-3］，并大量地應(yīng)用于新型高鐵的制造中，最大限度地降低牽引動(dòng)能消耗，且使車體更耐腐蝕，列車運(yùn)行得更加平穩(wěn)和安全。但同時(shí)也存在許多鋁合金焊接問(wèn)題急需處理［4］。目前，TIG 焊和MIG 焊是焊接鋁合金的主要方法，然而由于鋁合金密度低、熔點(diǎn)低、線膨脹系數(shù)高及導(dǎo)熱性能良好等特點(diǎn)，氣孔、裂紋以及熱變形等缺陷極易在電弧焊時(shí)出現(xiàn)，且焊后接頭強(qiáng)度較低，這制約了其在制造業(yè)中的使用［5-6］。

與TIG 焊、MIG 焊不同，激光焊接兼具高精度、高效率、高可靠性等特點(diǎn)［7-9］。因?yàn)榧す夂附拥臒嵩垂β拭芏却?，熱輸入量低，在確保足夠熔深的同時(shí)，可以保持較小的焊接熱影響區(qū)和焊接變形［10-11］。然而鋁合金激光焊的難點(diǎn)在于鋁合金對(duì)各類激光束均有較高的表面初始反射率，由于高反射率、高熱導(dǎo)性等難以克服的問(wèn)題，在激光焊接鋁合金的實(shí)際過(guò)程中，良好的光束聚焦和高功率密度的高能激光是必不可少的。蔣志偉等［12］使用光纖激光對(duì)6061鋁合金進(jìn)行填絲焊接，發(fā)現(xiàn)激光焊接接頭抗拉強(qiáng)度隨熱輸入增加而降低。許飛等［13］發(fā)現(xiàn)高能的光纖激光較容易完成穿透焊接，且獲得成形較好焊縫的工藝參數(shù)范圍也更大。已有的研究表明，激光焊接質(zhì)量不由單個(gè)參數(shù)控制，而是通過(guò)一系列激光參數(shù)和加工參數(shù)的組合來(lái)對(duì)焊縫質(zhì)量產(chǎn)生影響。然而，通過(guò)分析焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)實(shí)現(xiàn)激光焊接參數(shù)優(yōu)化的研究報(bào)道較少。因此，本文采用有限元方法對(duì)激光焊接6061 鋁合金薄板對(duì)接接頭的焊接過(guò)程進(jìn)行模擬，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化。

本文采用熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元技術(shù)，應(yīng)用MSC.Marc 軟件對(duì)6061 鋁合金薄板對(duì)接接頭激光焊接過(guò)程進(jìn)行模擬，獲得試片級(jí)焊接試樣的溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，并對(duì)激光功率和焊接速度等工藝參數(shù)與焊接試樣的溫度場(chǎng)及其應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的關(guān)系進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方法及裝置

試驗(yàn)中所采用的激光焊接裝置為Trumpf 公司生產(chǎn)的TruDisk-12003 碟片式固體激光器，其最高功為12 kW，光斑為圓形，直徑大于0.3 mm，并配套KUKA 焊接機(jī)器人。試驗(yàn)中所使用的激光功率、焊接速度等工藝參數(shù)均通過(guò)程序預(yù)先設(shè)定。試驗(yàn)選用6061 鋁合金平板作為母材，厚度為4 mm，T6 狀態(tài)（固溶處理后人工時(shí)效）。激光焊接原理示意圖如圖1 所示。激光作用于鋁合金的方式按激光功率密度大小分為多種，當(dāng)激光功率密度處于1×104～1×106W/cm2之間時(shí)，激光能量可以使鋁合金表面發(fā)生熔化，激光熱源經(jīng)過(guò)后，熔池急速冷卻，形成晶粒細(xì)小的組織，材料得到細(xì)晶強(qiáng)化，硬度和強(qiáng)度都有所提高，處于這個(gè)范圍的激光多用于激光焊接［14］。本試驗(yàn)所采用的激光焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 激光焊接原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser welding

表1 6061 鋁合金激光焊接工藝參數(shù)Tab.1 Table of 6061 aluminum alloy laser welding process parameter

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 幾何模型建立

本文根據(jù)焊件的形狀、尺寸大小，在CATIA 中建立該焊接試件的幾何模型，取該板長(zhǎng)度為100 mm，寬度為30 mm，厚度為4 mm。該部分模型可以真實(shí)反映焊接試件整體的溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布及變化情況。

2.2 網(wǎng)格劃分

本文采用有限元網(wǎng)格處理軟件HYPERMESH對(duì)平板模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在劃分網(wǎng)格時(shí)，焊縫附近采用尺寸較小的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，且網(wǎng)格分布密集；遠(yuǎn)離焊縫處采用尺寸較大的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，且網(wǎng)格分布較為稀疏。大小網(wǎng)格過(guò)渡區(qū)采用“3 變1”的過(guò)渡方法。

網(wǎng)格過(guò)渡原理如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格劃分過(guò)度方法圖Fig.2 Schematic of over-meshing method

2.3 材料屬性

由于本文采用熱-結(jié)構(gòu)耦合分析法，因此需要確定材料特定的物性參數(shù)。與材料熱-結(jié)構(gòu)分析直接相關(guān)的物性參數(shù)包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)、比熱容、楊氏模量、屈服強(qiáng)度和線膨脹系數(shù)等［4］。

2.4 邊界條件設(shè)定

邊界條件是熱傳導(dǎo)問(wèn)題完整數(shù)學(xué)描述中不可缺少的部分，所謂邊界條件就是焊件的初始條件、表面換熱條件［15］以及位移約束條件。由于未對(duì)焊接試件進(jìn)行預(yù)熱，因此，初始溫度即環(huán)境溫度20 ℃。通過(guò)調(diào)用子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)高斯旋轉(zhuǎn)體熱源模型的加載，焊接過(guò)程考慮自身熱傳導(dǎo)和周圍空氣熱交換。由于6061 鋁合金是被裝夾固定在特定夾具上進(jìn)行焊接的，故采用“三點(diǎn)裝夾”的方法。Marc 中加載的位移約束示意圖如圖3 所示。

2.5 熱源模型選取

圖3 位移約束示意圖Fig.3 Schematic diagram of displacement constrain

熱源的選取和加載對(duì)于激光焊接仿真計(jì)算來(lái)說(shuō)是最關(guān)鍵的。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，高斯旋轉(zhuǎn)體熱源能較好地反映激光束照射至焊件后，其表面的熱流分布情況［16］。焊件受到該熱源作用后通過(guò)一定的作用面積傳遞激光能量，此面積與激光的光斑直徑大致相近，熱源的能量分布從中心到邊緣遞減。

3 結(jié)果與討論

3.1 熱源模型校核

模擬的熔池邊界與實(shí)際焊縫邊界的對(duì)比如圖4所示。由圖可見(jiàn)，仿真計(jì)算得到的焊接熔池邊界（即圖中左側(cè)的灰色區(qū)域溫度達(dá)到6061 鋁合金熔點(diǎn)（660 ℃）以上）的形狀分布與實(shí)際焊縫的邊界基本吻合，這表明采用高斯面熱源與高斯旋轉(zhuǎn)體組合熱源模擬激光焊接6061 鋁合金平板對(duì)接接頭的移動(dòng)熱源是合理的。這也進(jìn)一步驗(yàn)證熱-結(jié)構(gòu)耦合分析對(duì)于激光焊接過(guò)程模擬的可行性，以及本文所采用的高斯熱源進(jìn)行仿真計(jì)算的可信程度。

圖4 模擬熔池邊界與焊縫熔合線對(duì)比Fig.4 Comparison of simulated molten pool boundary and weld fusion line

3.2 不同激光功率仿真計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 激光功率對(duì)焊接溫度場(chǎng)的影響

激光功率對(duì)焊接溫度影響較大，因此，需要對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)研究。保持焊接速度恒定為2.6 m/min，取激光功率為2 500 W 和5 000 W 對(duì)其焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比。

不同激光功率下焊接溫度場(chǎng)的對(duì)比如圖5 所示，由圖可以看出，焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)的形狀均近似橢圓形，激光前進(jìn)方向的溫度場(chǎng)區(qū)域中心基本與熱源的中心重合，溫度場(chǎng)前端等溫線分布較為密集，后端較為稀疏，說(shuō)明前端溫度梯度大，后端溫度梯度小。隨著激光功率的增大，溫度場(chǎng)的峰值溫度逐漸升高，激光功率為5 000 W 時(shí)，焊縫中心的最高溫度為1 894 ℃；而激光功率為2 500 W 時(shí)，其最高溫度僅為989.9 ℃。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)：激光功率為2 500 W時(shí)，焊接試件未熔透；而激光功率為5 000 W 時(shí)，焊接試件完全熔透，且熔寬及熔深均較大。

圖5 焊接速度為2.6 m/min 的溫度場(chǎng)分布Fig.5 Temperature field distribution with welding speed of 2.6 m/min

3.2.2 激光功率對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的影響

激光功率分別為2 500 W 和5 000 W 時(shí)，激光焊接6061 鋁合金平板對(duì)接接頭的焊接變形情況和等效米塞斯應(yīng)力分布如圖6 所示。由圖可見(jiàn)，雖然兩者的變形趨勢(shì)和等效米塞斯應(yīng)力分布大致相同，但在焊接過(guò)程中的同一時(shí)刻，激光功率為5 000 W時(shí)，焊接試件的最大變形量為0.436 mm；而激光功率為2 500 W時(shí)，焊接試件的最大變形量?jī)H為0.328 mm。這說(shuō)明隨著激光功率的增加，熱輸入增大，因此，焊接變形量增大。等效米塞斯應(yīng)力也存在相似的規(guī)律，激光功率為5 000 W 時(shí)，焊縫處的最大等效米塞斯應(yīng)力值為443.1 MPa；而激光功率為2 500 W 時(shí)，焊縫處的最大等效米塞斯應(yīng)力值僅為362.5 MPa。說(shuō)明隨著激光功率的增加，焊后殘余應(yīng)力也會(huì)隨之增大。

圖6 焊接速度為2.6 m/min 的應(yīng)力和變形分布Fig.6 Stress and deformation distribution with welding speed of 2.6 m/min

3.3 不同焊接速度仿真計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 焊接速度對(duì)焊接溫度場(chǎng)的影響

焊接速度也是影響激光焊接接頭質(zhì)量的重要因素，因此，同時(shí)也需要對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)研究。保持激光功率恒定為2 500 W，分別選取焊接速度為2.6 m/min 和3.0 m/min 進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。

對(duì)比圖5 和圖7 中不同焊接速度下的溫度場(chǎng)分布可以發(fā)現(xiàn)，由于采用相同的熱源模型，且激光功率一致，故兩者的焊接溫度場(chǎng)分布類似。溫度場(chǎng)的分布為從熱源中心的高溫區(qū)域向周圍區(qū)域逐步降低。同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)，隨著焊接速度的增加，熱源中心的最高溫度逐漸下降，當(dāng)焊接速度從2.6 m/min增加至3.0 m/min 時(shí)，熱源中心的最高溫度從989.5 ℃逐漸降低到954.4 ℃。焊后區(qū)域的溫度梯度逐漸變大。在焊接完成進(jìn)入冷卻階段后，焊接速度快的焊件冷卻速度較快，較易恢復(fù)到室溫。觀察兩組仿真計(jì)算的溫度場(chǎng)亦可發(fā)現(xiàn)，激光焊接速度越快，熔深越淺，可以發(fā)現(xiàn)焊接速度與焊接質(zhì)量關(guān)系緊密。

3.3.2 焊接速度對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的影響

對(duì)比圖6 和圖8 中不同焊接速度下焊縫的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，等效米塞斯應(yīng)力主要分布在焊縫周圍和邊角處，變形情況也較為類似，且焊接試件的中部變形較大。

隨著焊接速度的提高，焊接試件的變形逐漸減小，且其變形區(qū)域也逐漸減小，焊后焊接試件的最大變形量由0.328 mm 逐漸減小到0.306 mm。這是因?yàn)殡S著焊接速度的提高，熱源作用時(shí)間縮短，激光熱源的熱輸入降低，焊接試件接收的線能量密度也降低。因此，較小的熱量必將導(dǎo)致較小的變形量。而等效米塞斯應(yīng)力卻隨著焊接速度的提高先升后降，說(shuō)明6061 鋁合金激光焊接中存在一個(gè)最佳焊接速度使得其等效米塞斯應(yīng)力最小，此參數(shù)的確定需要進(jìn)行大量模擬和試驗(yàn)。

圖7 激光功率為2 500 W、焊接速度為3.0 m/min 的溫度場(chǎng)分布Fig.7 Temperature field distribution with laser power of 2 500 W and welding speed of 3.0 m/min

圖8 激光功率為2500 W、焊接速度為3.0 m/min 的應(yīng)力和變形分布Fig.8 Stress and deformation distribution with laser power of 2 500 W and welding speed of 3.0 m/min

4 結(jié)束語(yǔ)

1）文中的模擬計(jì)算使用Fortran 語(yǔ)言編寫高斯面熱源與旋轉(zhuǎn)體熱源復(fù)合模型，并結(jié)合Marc 軟件中的邊界條件完成了該熱源的移動(dòng)和加載，經(jīng)驗(yàn)證，該高斯旋轉(zhuǎn)體熱源模型與實(shí)際激光熱源較為接近。

2）對(duì)6061鋁合金平板激光對(duì)接焊的溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)分析，對(duì)比不同焊接工藝參數(shù)下的不同時(shí)間點(diǎn)，不同節(jié)點(diǎn)的溫度和應(yīng)力及其云圖。當(dāng)激光功率為2 500 W、焊接速度為2.6～3.0 m/min時(shí)，焊接熔池的最高溫度達(dá)到900 ℃以上，且焊接速度對(duì)焊縫的應(yīng)力應(yīng)變影響不大。而激光功率提高至5 000 W、焊接速度保持為2.6 m/min 時(shí)，熔池的最高溫度達(dá)到1 894 ℃，且應(yīng)力應(yīng)變均大幅增加。

3）分析對(duì)比不同工藝參數(shù)下的結(jié)果，通過(guò)調(diào)整激光功率和焊接速度等參數(shù)，并研究其對(duì)焊接試件溫度場(chǎng)及應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的影響，為預(yù)測(cè)焊接試驗(yàn)效果、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、減少試驗(yàn)量提供幫助。