低碳钢激光焊接温度场模拟

低碳钢激光焊接温度场模拟

王泽三王振品孟凡鸿

中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛266000

摘要:由于与其他焊接方法相比，激光焊接的能量密度高，而且其热影响范围狭窄，因此其在工业生产中的应用范围越来越广，以便使激光焊接技术在工业中得到更广泛的应用，并使激光焊接工艺在工业中得到更广泛的应用。激光焊接更加稳定和可靠，需要确定何种焊接工艺是合理的。

关键词：低碳钢；激光焊接；温度场模拟

引言

随着激光技术的发展，目前激光焊接在汽车制造业、造船业以及桥梁工业的应用越来越多。尤其是在汽车制造行业，随着环境保护力度的加强，以及可持续发展政策力度的不断提高，本文主要对低碳钢激光焊接温度场模拟进行了有效的探讨。

1激光焊接的影响因素

激光焊接的主要影响因素有：第一，能量的密度，能量密度简而言之就是将板片熔化的能力，当能量密度大的时候，板片会迅速达到熔点，对提升激光焊接效率及效果非常有利；第二，焊接速度，如果焊接速度过慢，在板片上停留时间较长，会对板片造成影响，可能会出现高温产生的漏洞，如果焊接速度过快，焊接效果会受到影响，很容易造成焊接不牢的情况；第三，材料的吸收能力，材料吸收能力具体是材料的导热程度、材料的熔点等物理特性，吸收能力指材料对激光的吸收能力，如果板片的材料对激光的吸收能力强，在激光焊接时，板片会迅速达到熔点，继而熔化、焊接，如果板片的材料吸收能力弱，会使激光焊接时间延长，焊接效果不容易控制；第四，焊接的脉冲波形及脉冲的宽度，脉冲的波形不同，激光的功能也是不同的，主要有焊接波形和切割波形两种。如果使用不当，会对焊接造成影响，并且会导致板片反射一部分激光，影响焊接效果。脉冲的宽度是指单个脉冲激光的持续时间，适当的脉冲宽度才能达到良好的焊接效果。

2激光焊线的数值模型

激光焊接所选用的热源为激光束，具有很高的能量密度，能够迅速使材料熔化形成连续且美观的焊线，焊接接头的熔宽和熔深取决于焊接母材料和焊接工艺，同时又是评价焊接质量的重要参数。如图1所示为厚度为2.50mm的S420MC钢板和厚度为1.80mm的S500MC钢板的焊接接头微观横截面，激光焊线的熔池在下半部分形成半圆区;将熔池结晶后形成的焊线分为熔融区(meltingzone，MZ)、热影响区(heataffectedzone，HAZ)以及母材区(basemetal，BM)。熔融区在母材交界面的宽度w=1.55mm，深度h=2.92mm;热影响区的厚度d=0.40mm。因此，对应地可以将焊线截面的离散模型分为5个部分，分别为处于核心位置的熔融区以及两种焊接工件的热影响区和母材区，单元的尺寸为0.2mm，由于激光焊的加工原理是热源与工件的相对运动而形成一定长度的焊线，所以只要将建立的二维网格沿着焊线的路径映射即可形成高质量的三维离散网格模型。在离散模型中，熔融区的节点与相邻热影响区的节点连续，而两种材料的热影响区的节点独立，即在焊接过程中热影响区处于融合线之外，并没有将上下两层材料熔合形成有效的连接。

图2压痕实验维氏硬度值

3试验结果与分析

3.1焊缝的组织形貌

利用金相显微镜观察焊缝区域的金相组织，4组试验钢种的组织主要都是由铸状组织区域、相变区域、热影响区域组成。其中1#试样焊缝区域最宽，贝氏体组织最多。2#试样仅采用了焊前预热，焊缝全貌与1#试样接近，但是焊缝宽度明显缩短，焊缝组织仍然以贝氏体组织为主。仅焊后热处理的3#其焊缝区域较1#明显缩小，但是热影响区较宽，金相图片中仍然以贝氏体组织为主。经过焊前预热+焊后热处理的4#试样焊缝和热影响区域小，析出的碳化物最终数量也最少，组织主要是片层状珠光体和少量贝氏体组织。为了有效分辨焊前预热和焊后热处理对热影响区的影响，采用扫描电镜分别观察两种试样，其组织如图2所示。经过预热处理的2#试样的金相图片上晶界附近的珠光体较多，且晶粒更为粗大。而经过焊后热处理的金相组织铁素体明显较多，珠光体组织少。因此焊后热处理比焊前预热对焊缝的影响更为显著。

3.2焊缝力学性能

采用HV0.1显微硬度计检测焊缝区域。硬度从焊缝中心区域向热影响区、母材区域逐渐降低。经过焊前预热和焊后热处理工艺处理的焊缝区域硬度变化最小，且硬度最低。1#和2#试样的硬度接近，变化趋势也较为接近，而经过焊后热处理的3#和4#硬度接近，其中4#试样的硬度峰值与3#接近，而焊缝硬度增强区域更窄。

说明焊后热处理比焊前预热对焊缝质量的影响更大。其硬度影响趋势为：不采用任何处理方式＞焊前。

4结论

（1）不同的处理方法对焊缝组织有显著影响，其中采用焊前预热+焊后热处理工艺对焊缝淬硬组织有显著改善。（2）不同的热处理方法对焊缝硬度的影响不同，其影响为：不采用任何处理方式＞焊前预热＞焊后热处理＞采用焊前预热+焊后热处理工艺。（3）除了热处理工序外，影响激光焊接质量的还有许多其他因素，例如材料本身缺陷、保护气体不足、焊枪偏移、离焦量偏移、夹持力不足等。预热＞焊后热处理＞采用焊前预热+焊后热处理工艺。

结束语

将相变潜热与温度的关系引入有限元模拟中提高模拟的精确性。在焊缝始端与末端由于热量输入及热交换波动较大,造成熔池的形貌与稳定状态相比有着明显的变化。焊接温度场随着时间和空间的不同发生急剧的变化,直接影响组织转变和应力分布。为进一步分析组织和应力场的计算提供了前提条件。

参考文献:

[1]贾剑平,刘丹,张幸福,彭亮,毕凯强.低碳钢薄板激光焊数值模拟及工艺[J].电焊机,2016,46(01):98-101.

[2]顾小燕.YAG激光+脉冲双MIG电弧复合焊接热源耦合机理及工艺研究[D].天津大学,2013.

[3]张旭东.激光深熔焊时气孔缺陷控制技术研究[A].中国接卸工程学会、中国焊接协会.第十一次全国焊接会议论文集（第1册）[C].中国接卸工程学会、中国焊接协会:中国焊接协会,2005:5.

[4]倪宇,曾晓雁.电阻焊和激光焊焊接超低碳钢显像管支架的磁性能[J].焊接,2004(11):25-28.

[5]倪宇.激光电弧复合焊接及激光焊接超低碳钢的焊缝磁性能研究[D].华中科技大学,2004.

[6]孙秀芳,郭力力,于捷.低碳钢激光焊焊接接头金相组织[J].焊接,2001(11):45.