1、低碳钢与不锈钢激光焊接应力场数值模拟【摘要】本文在温度场数值模拟的基础上，采用热-结构的顺序耦合方法进行了应力场计算，并利用 ANSYS 软件对 20 钢-304 不锈钢板的激光叠焊进行了应力场数值模拟。 【关键词】激光焊；应力场；数值模拟 激光焊接时由于激光束的能力密度高，局部的快速加热与冷却，在焊接过程中和焊接冷却后会产生相当大的焊接残余应力和残余变形。它不仅可使焊缝产生裂纹，降低强度和韧性，而且这些残余应力与工作应力叠加，使结构的应力强度增加，影响焊接结构的安全可靠性。因此为了保证结构的安全使用，准确的评估焊接结构的残余应力和变形已成为一个极为重要的研究课题。 激光焊接是不均匀的局部加热
2、，工件温度变化范围较大，要经历急速升温和降温的过程，是非静态的。材料在高温会发生相变，材料的机械性能和热物理性能均随温度变化，是非线性的。所以激光焊接过程非常复杂，它包含相变、塑性和非线性等因素影响的热弹塑性问题。只有借助与有限元法才能使这种复杂过程的数值分析与计算成为可能。 1 焊接应力场的模型的建立 本文采用顺序耦合方法进行焊接应力场的数值模拟。将前一个分析的结果作为载荷施加到下一个分析中的方式进行耦合。激光焊接应力应变场分析是典型的热-应力顺序耦合分析，先模拟出温度场，再将热分析中得到节点温度作为“体载荷”施加到结构分析中。 2 网格划分 对激光焊应力场的计算时，采用和温度场模拟相同的网
3、格。在温度场的计算中，可将焊接过程看做是准稳态的过程，在长度方向可以取较短的一部分进行计算，而在应力应变场的计算中，模型尺寸的大小直接决定了焊接结构的约束状态，对应力及应变场的模拟结果影响很大。如果在应力场的计算中采用和温度场模拟中一样的网格粗细大小，由于焊接长度的增加，会使得应力场计算的时间大大加长。如果采用较粗的网格，就会损失一定的温度场计算的精度。因此，需要在计算精度与计算时间之间做出妥协。 模型使用映射网格，在计算应力场之前，首先把间隙板中的单元全部杀死，然后在计算焊接过程的子步中，逐步激活间隙板中的熔融温度以上的单元加入计算，以此来模拟激光焊接熔池的形成。这样，叠接的两块工件之间只有
4、焊缝处的单元才结合在一起。 3 材料的力学性能参数 需定义 20 钢和 304 不锈钢的弹性模量 E、热膨胀系数 、泊松比、屈服强度 s、热膨胀系数，材料塑性选项选取等向强化屈服准则。 4 初始条件和约束条件 设焊前母材的初始应力为 0，初始温度设为环境温度 25。本模型中不承受外载荷力，体积力、重力均忽略不计，只考虑热应力的作用。读入各节点的温度值，即温度场计算的结果，进行热应力计算，时间步长与温度场计算时一样，有利于温度载荷的读入和计算精度的提高。对焊接构件自由度进行约束，加载边界条件要注意两点：一是防止有限元计算过程中产生位移，二是不能严重阻碍焊接过程中应力自由释放和焊接结构自由变形。
5、图 1 为有限元模型的位移约束示意图。在焊缝中心面 E-F 上施加对称约束，对称面约束指的是将该面的所有节点在平面外的移动和平面内旋转都被设置为零。即限制 E-F 面的节点在垂直该面（Z 轴方向）的位移和绕其它两个轴（X、Y 轴方向）的旋转，总之，该面的节点只能在 XY 轴方向做平移运动。在有限元模型的 A-D 边施加 Y 方向位移约束，在 A-B边和 C-D 边施加 Z 方向的位移约束。这样，即防止了数值模拟中产生位移，又没有严重阻碍焊接过程中应力的自由释放和焊接结构的自由变形。5 应力场计算结果及分析 以下结果均是在焊接工艺参数为 I=350A，V=100mm/min，f=-1mm时计算出
6、来的。平行于焊缝方向的残余应力称为纵向焊接残余应力，记为 x，垂直于焊缝方向的残余应力称为横向焊接残余应力，记为 y，由于板的厚度很小，所以沿着厚度方向的残余应力较小，一般不作考虑。图 2 为焊后冷却到 259.88s 之后的上表面等效残余应力云图，在焊缝及其热影响区附近，存在着较大的残余应力，为 200-400MPa 之间，个别区域大于 400MPa，从焊缝中心向两边残余应力迅速降低。下表面在激光焊接的起始区域和结束区域，残余应力最大，存在着明显的边界效应，特别是靠近焊接结束的地方，残余应力达到最大值，而终焊点的前端存在着一个低应力区，如图 3。 焊接结束后，焊缝末端由于没有热量继续施加，焊缝终了区域熔池中的液态金属冷却的速度比别处的要快很多，使此区域的温度梯度很大，所以此区域的残余应力较其它区域要高，焊缝中最大的残余应力出现在此区域。 6 结论 焊缝及其热影响区附近，存在着较大的残余应力，从焊缝中心向两边残余应力迅速降低。激光焊接的起始区域和结束区域，残余应力最大，存在着明显的边界效应，特别是靠近焊接结束的地方，残余应力达到最大值，而终焊点的前端存在着一个低应力区。 参考文献： 1余作生，周正朝.热弹塑性有限元在焊接中的应用R.中国工程物理研究院科技系列报告.1994 2李力钧.现代激光加工及其设备M.第一版.北京：北京理工大学出版社，1993.1-265
