T型接頭雙激光束同步焊接熱源模型修改后

1、占小紅，陳潔，魏艷紅，董志波，陳彥斌摘要：T型接頭雙激光束同步焊接技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮與機(jī)翼的連接。為了進(jìn)一步研究這種焊接過程中熱，力學(xué)行為，需要建立一個(gè)合理的熱源模型。這篇論文采用兩種不同的表體相結(jié)合的熱源模型，即由高斯表熱源模型和分別由圓錐體熱源模型和高斯旋轉(zhuǎn)體熱源模型建立的。并且研究兩種不同模型的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這次研究探索了兩種不同熱源對T型接頭雙激光同步焊接產(chǎn)生的結(jié)果，而且，目前的研究對在這一領(lǐng)域的深入研究是非常有用的。關(guān)鍵詞:DLBSW(雙激光同步焊接)；熱源模型；模擬0引言飛機(jī)蒙皮與機(jī)翼的T型接頭雙激光同步焊接連接技術(shù)是一種新型焊接過程。與傳統(tǒng)的T型接頭單面焊雙面成形技術(shù)

2、相比較，這種焊接技術(shù)避免了對蒙皮底部的損壞。同時(shí)，與傳統(tǒng)的鉚接接頭相比大大的減少了構(gòu)件的重量。所以，雙激光同步焊接工藝被應(yīng)用于航空制造業(yè)。比如，這種工藝廣泛應(yīng)用于空中客車的產(chǎn)品像A318，A340和A380。隨著中國的大型飛機(jī)件制造的開始，關(guān)于飛機(jī)機(jī)身蒙皮與機(jī)翼的T型接頭雙激光同步焊接技術(shù)的研究就一直在發(fā)展之中。但是，由于這種焊接技術(shù)的復(fù)雜性，人們對其具體的過程還沒有徹底的弄明白，而且在我們國家，這種技術(shù)更希望被應(yīng)用于生產(chǎn)大型飛機(jī)機(jī)身的小且薄的或大尺寸的控制面板的復(fù)雜焊接件。還有很多其他原因，比如設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)落后等等。但是最重要的原因是缺少對材料的冶金學(xué)的方法和DLBSW焊接技術(shù)基本理論的研

3、究。在DLBSW焊接過程中，兩激光束在桁架下形成一個(gè)復(fù)合熔池。在這種條件下，熔池小孔的形狀和冶金學(xué)行為都不同于一般的激光束焊接（LBW）。因?yàn)榧す夂甘且环N以溫度升高極為復(fù)雜，不平穩(wěn)為特點(diǎn)的焊接過程，因此，我們用傳統(tǒng)的方法直接研究焊接熔池內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到了極大地限制。所以，有限元分析方法可以在某種程度上彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)法的局限性。圖1 三板連接過程的比較從1973年Swift-Hook和 Gic開始研究激光焊溫度場到現(xiàn)在，激光焊溫度場數(shù)值模擬已經(jīng)有了三十多年的研究了。許多國外的和國內(nèi)的學(xué)者已經(jīng)發(fā)表了大量的關(guān)于深熔透激光焊接數(shù)值模擬的學(xué)術(shù)論文。本文是從先前的聚焦中心孔和熱源模型發(fā)展為基于高斯熱源分布模型的激

4、光焊溫度場數(shù)值計(jì)算的研究，然后發(fā)展為激光深熔焊熱流場模擬和形變預(yù)測的研究。近年來，激光焊研究變得越來越深刻，越來越有經(jīng)驗(yàn)。在國內(nèi)，吳川松，徐久華，杜漢斌，吳肅，熊建剛，王宏，陳彥斌，陳曦等人已經(jīng)對激光深熔焊中心孔和熔池形成動(dòng)態(tài)過程有了研究，并在這一領(lǐng)域取得了一些成就。 但是，到目前為止還沒有關(guān)于T型接頭雙激光同步焊接熱源模型的研究報(bào)告。為了讓T型接頭雙激光同步焊接有限元分析技術(shù)得到應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)首先建立T型接頭雙激光同步焊接熱源模型。這篇論文將論述面體聯(lián)合熱源模型的發(fā)展和研究模擬的結(jié)果。1. 模型原理1.1 熱源模型建立熱源模型是焊接過程數(shù)值模擬中最基本，最重要的一步。有許多計(jì)算機(jī)焊接熱源模型，主

5、要包括：羅森塔爾分析模型，高斯熱源分布模型，半球分布熱源模型，橢球體熱源分布模型，雙橢球形熱源模型等等。在處理熱源模型的方法中，分析法是簡單、清晰的一種。但是，分析法由于需要太多的假設(shè)說明，在精確度和有效性方面尤其具有局限性。數(shù)值處理方法采用材料的非線性特征，還可更進(jìn)一步改善高溫區(qū)模擬的精確度。對不同的材料，不同的焊接方法，所有的模型都可以應(yīng)用，如：高斯分布的面熱源模型，還有球形，橢球形，雙橢球形分布的體熱源模型。通過實(shí)驗(yàn)的結(jié)果反復(fù)的修正熱源模型參數(shù)，使模型更合理，更精確，可用于和有助于深入的更進(jìn)一步的模擬研究。圓柱形熱源模型，高斯旋轉(zhuǎn)曲面和圓錐體分布熱源模型大多應(yīng)用于激光深熔焊接。同時(shí)，一個(gè)

6、面熱源模型加上一個(gè)體熱源模型可以模擬等離子效應(yīng)和熔池表面狀況。根據(jù)不同熱源應(yīng)用范圍的綜合分析，本文集中研究兩種面體聯(lián)合熱源模型，即：“高斯面熱源與高斯旋轉(zhuǎn)體熱源聯(lián)合的熱源模型”和“高斯面熱源與錐體熱源聯(lián)合的熱源模型”。當(dāng)考慮到雙激光同步焊接時(shí)，就需要兩種聯(lián)合的熱源模型。圖2 高斯面熱源結(jié)構(gòu)高斯模型的連續(xù)熱流密度可定義為： （1） q(r)是半徑r處的面連續(xù)熱流密度，qmax是熱源中心連續(xù)熱流密度的最大值，熱量集中系數(shù)c是由焊接方法確定的一個(gè)定值。實(shí)際上，錐形體熱源模型是由一系列深熔焊高斯面熱源模型疊加而成。熱流密度分布區(qū)域橫截面積的直徑隨板厚的增加直線減小。二者的關(guān)系可以表示為： （2）q(r

7、,z)是半徑為r，深度為z處的熱流密度，h是熱源的有效深度，r是距熱源中心的距離，z是研究位置的深度。高斯旋轉(zhuǎn)體熱源沿z方向上的每一個(gè)橫截面都是圓，且其上的熱流密度服從高斯分布。高斯旋轉(zhuǎn)體熱源可以表示為： （3）H是熱源高度，P是熱源功率效率，R0是熱源空隙半徑。圖3 高斯旋轉(zhuǎn)體熱源模型DLBSW焊接過程中，熱源協(xié)調(diào)系統(tǒng)與FEM模型協(xié)調(diào)系統(tǒng)之間應(yīng)該有一個(gè)補(bǔ)償角，因?yàn)榧す馐肷浣遣皇呛芤?guī)律。所以，熱源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)或是當(dāng)?shù)叵到y(tǒng)的協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)變必須要有有效的熱源路徑。圖4是單機(jī)翼T型接頭幾何模型。用預(yù)處理軟件或是附加在主處理軟件的預(yù)處理包可以創(chuàng)建有限元幾何模型。一般的，網(wǎng)格劃分的越好，精確度越高，同時(shí)計(jì)算

8、時(shí)間就越長，計(jì)算成本就會增加。相反地，精確度將會下降而且花費(fèi)時(shí)間少。均勻一致的網(wǎng)格是不適用的，因?yàn)楹附舆^程中的熱效應(yīng)在不同的位置有不同的特點(diǎn)。也就是說，密集的網(wǎng)格用于焊縫和熱影響區(qū)，而遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域采用稀疏的網(wǎng)格。在這篇論文中，不均勻的過度的網(wǎng)格用于T型接頭雙激光同步焊接有限元模型的建立，其中填充焊絲的部分用起始元件模型。T型接頭網(wǎng)狀模型如圖5 所示：圖4 單機(jī)翼T型接頭幾何模型 圖5 T型焊接結(jié)構(gòu)過渡階段的網(wǎng)格具有六面體的元件類型應(yīng)用于網(wǎng)狀幾何模型。離中心線不到2mm的區(qū)域網(wǎng)格是完整的，而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的網(wǎng)格是粗糙的。在以上兩種區(qū)域之間的區(qū)域網(wǎng)格是漸變式的類型。整個(gè)網(wǎng)格是由32300個(gè)單元和4

9、0704個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的空間的大小限制為0.2mm，同時(shí)離焊縫3mm處時(shí)這個(gè)尺寸會改變。蒙皮和機(jī)翼所用材料分別為6156和6056鋁合金。熱傳導(dǎo)和熱輸入都應(yīng)考慮到邊界條件。由于實(shí)際焊接過程的復(fù)雜性，所以應(yīng)當(dāng)考慮到一些簡單的條件。論文中熔化和模擬過程基于以下假設(shè)條件：（1）工件初始溫度為室溫（20）；（2）忽略焊接熔池中化學(xué)反應(yīng)的影響；（3）將熱傳導(dǎo)擴(kuò)大為熔池內(nèi)部的熱對流；（4）假設(shè)材料均勻各項(xiàng)同性；（5）忽略填充材料和木材的差異；（6）考慮潛熱的影響是采用相同的比熱容量。2. 溫度場模擬 根據(jù)模型的建立，DLBSW焊接過程中的溫度場分布就可以進(jìn)行模擬了。而且還可以對不同熱源模型的影響

10、進(jìn)行分析。圖4（a）和圖4（b）顯示了分別由“高斯面分布與高斯旋轉(zhuǎn)體分布”的聯(lián)合熱源模型和“高斯面分布與錐形體分布”聯(lián)合熱源模型的模擬。圖6說明了聯(lián)合熱源可以應(yīng)用于獲得溫度分布合理模擬結(jié)果。這兩種不同模型的模擬結(jié)果說明了激光束不能穿透金屬表面，這對飛機(jī)機(jī)身的制造是非常有用的，因?yàn)轱w機(jī)外表面的完整性和連續(xù)性是非常重要的。焊接熔池模擬結(jié)果顯示：在激光深熔焊接時(shí)，熔池在寬度和深度方向的尺寸都比較大。3. 分析和討論為了分析不同熱源模型熱循環(huán)曲線的不同，在OH和MN上選擇了一系列的樣點(diǎn)，如圖7所示。收集三點(diǎn)每一時(shí)間段的溫度值來生成對溫度場可進(jìn)行量的分析的熱循環(huán)曲線。根據(jù)模擬結(jié)果，OH和MN線上如圖7所

11、示的點(diǎn)處的熱循環(huán)曲線如圖811所示。每條熱循環(huán)曲線表示隨著時(shí)間的增加每個(gè)確定點(diǎn)處溫度的變化趨勢。在橫向方向上，即垂直于焊接方向，每一點(diǎn)的最高溫度隨著點(diǎn)距焊縫中心線的距離的增加而降低，如圖10和11所示。很明顯的可以看出，當(dāng)熱源靠近時(shí)，溫度迅速上升為2000，而當(dāng)熱源離開時(shí)，溫度迅速降低。而且溫度降低的趨勢比溫度上升的趨勢要緩和。當(dāng)溫度降到大約450時(shí)溫度下降的更加緩慢。同時(shí)當(dāng)溫度降至450以下時(shí)，熱循環(huán)曲線非常相似。用高斯體熱源模型計(jì)算的溫度最大值比用圓錐體熱源模型計(jì)算的稍大一些。在圖9和圖11中，極高點(diǎn)的溫度不到2000但比鋁合金的熔點(diǎn)溫度高得多。用不同熱源模型計(jì)算所得的熱循環(huán)曲線的不同不僅

12、明顯的表現(xiàn)在高溫區(qū)域。也就是說，溫度場內(nèi)的位置影響也會造成熱源的不同。模擬結(jié)果顯示：距離焊縫中心較遠(yuǎn)的溫度場取決于實(shí)際焊接中的焊接參數(shù)，而對不同的熱流分布模型不敏感。4. 總結(jié) 飛機(jī)機(jī)身的雙激光同步焊接技術(shù)是一種新型焊接工藝，目前缺少在量上的研究。這篇研究報(bào)告對“高斯面熱源+高斯旋轉(zhuǎn)體熱源”和“高斯面熱源+圓錐體熱源”這兩種面體聯(lián)合熱源模型進(jìn)行了初步的調(diào)查研究。研究報(bào)告顯示：激光深熔焊熔池溫度場可以用聯(lián)合熱源模型進(jìn)行模擬。在相同條件下，用高斯旋轉(zhuǎn)熱源模型模擬的極高點(diǎn)的溫度值是比較高的。參考文獻(xiàn)：1 Swift-Hook. Penetration welding with laser J. We

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