Invar36合金激光焊接Ansys仿真

【摘 要】本文对Invar36合金激光焊接过程进行了ansys仿真,验证了激光焊接具有高功率密度,较小的热影响区,较大的焊接深度,较窄的焊缝等优势,能够实现低应力及低变形焊接.

【关 键 词】激光焊接；invar36合金；ansys仿真

1引言

Invar36是C.E.Guilleaume发现的FCC-γ相组织结构的合金.这种合金以其非常低的热膨胀系数而备受关注[1].该合金一般应用在一定温度范围内对膨胀尺寸要求非常严格的场合,如何更好的焊接invar合金成为一个亟待解决的问题.

激光焊接是迅速的且非平衡的热循环过程,在焊缝附近存在很大的温度梯度,在焊缝处同样存在残余应力和不同程度的变形,上述这些情况都是影响焊接质量和使用性能的重要因素[2].因此了解焊接过程中温度的变化对也焊接质量和焊接结构具有重要意义.但是传统焊接过程中的温度测量是相当困难的,激光焊接过程中的温度测量就更困难了.为了了解焊接过程中温度场的变化,我们借助了计算机和分析软件采用了数值模拟分析的方法对焊接过程进行仿真[3-5].

2建立模型

模型基于以下热传导微分方程：

材料属性随温度变化,高温材料属性通过内插值原则获得.材料熔融状态下的潜热通过热焓的方式计算.

模型采用solid70单元,并使用plane55单元作为表面效应单元进行单元格优化.为了减少计算了,降低计算时间,在靠近焊缝区域采用密集网格,远离焊缝区采用稀疏网格,网格划分结果如图1所示.因为焊缝的对称性,我们选取了对称的一半进行计算,进一步节省了计算时间.

3热源及边界条件

模型采用高斯热源,使模型更加接近实际热源,高斯热源表达式如下所示：

qmax为最大热流密度,R为有效的激光光斑半径,r为距离光斑中心的距离.

模型初始条件设定环境温度25℃,忽略热辐射的影响.由于只对一半焊缝进行仿真,因此焊缝对称面进行绝热处理.

4仿真结果分析

图2和图3为时间2.6S和5S时的温度场分布图,图4为时间1S时等温面图,由图2和图3可以看出,激光焊接区域,中心温度达到了3359℃,但是距离焊缝稍远一点,温度就有了大幅度的突降,由图4可以更直观的看出温度的这种突变.由此可以说明激光焊接具有非常高的能量密度,极大的温度梯度,进而使焊缝具有较大的深度及较窄的宽度,这样就形成了较小的热影响区,降低了焊接应力和焊接变形.

Invar36合金的熔点为1430℃,因此温度高于1430℃的区域均为良好的焊接区域,由图2和图3看出,激光实现了良好的invar36合金的焊接.

图5为焊缝上选取的5个点的时间历程曲线,即这5个点随焊接时间进行的温度变化.由图5容易看出,激光焊接是一个温度急剧上升和急剧降低的过程,这种温度的急剧变化可以使焊接区域金属晶粒细化,提高焊接区域金属性能.

5结论

对激光焊接invar36合金进行了ansys仿真,仿真结果验证了激光焊接过程激光焊接具备高能量密度,高温度梯度,低热影响区和低变形,激光焊接温度的突变提高了材料性能.

【参考文献】

[1]Salyo-ku,InvaralloysDepartmentofMaterialsScienceandEngineering.Kyoto606-01,Japan：340～347

[2]关振中.激光加工手册[M].北京,中国计量出版社1998.109～132

[3]JamesD.VandeVenandArthurG.Erdman.Lasertranissionweldingofthermoplastics-partI：temperatureandpressuremodeling.MechanicalEngineeringDepartment,UniversityofMinnesota.October2007,Vol.129：849～858

[4]JamesD.VandeVenandArthurG.Erdman.Lasertranissionweldingofthermoplastics-partII：ExperimentalModelValidation.MechanicalEngineeringDepartment,UniversityofMinnesota.October2007,Vol.129：859～867

[5]K.S.Suresh,M.RoopaRani,K.Prakasan,R.Rudramoorthy.Modelingoftemperaturedistributioninultrasonicweldingofthermoplasticorvariousjointdesigns.Journalofmaterialsprocessingtechnology186（2007）：138～146