基于SYSWELD的激光焊接温度场仿真分析

王 铁，孙智恩

（沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁 沈阳110159）

基于SYSWELD的激光焊接温度场仿真分析

王 铁，孙智恩

（沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁 沈阳110159）

在软件SYSWELD中建立DP600双相钢激光搭接焊接模型，并加载高斯表面热源对焊接过程进行仿真模拟。得到了焊接接头的温度场分布和节点温度循环曲线，结果显示此次仿真分析对实际焊接具有指导意义。

SYSWELD；DP600双相钢；温度场；有限元仿真

激光焊接具有效率高，焊缝深宽比大，焊缝热影响区和残余应力较小，适应性广等优点，广泛应用于汽车制造等领域[1]。焊接是物理、冶金和力学等方面综合作用的过程，无法精确地实验测量焊接过程中的温度场，通常情况下可以采用数值模拟的方法来研究焊接接头温度场[2]。

本文采用专业类焊接有限元计算软件SYSWELD对DP600双相钢激光搭接焊接进行仿真模拟，为实际焊接生产和焊接工艺优化提供了理论依据。

1 材料和工艺参数

从SYSWELD材料库中查阅DP600双相钢的化学成分及热物理性能参数，如表1和表2所示。本文选用常温下的热物性参数进行仿真。

表1 DP600双相钢的化学成分（wt%）

表2 DP600双相钢的热物理性能参数

本文仿真所采用的工艺参数为，激光功率输入为4 000 W，光斑直径为0.6 mm，焊接速度为100 mm/s[3].

2 激光焊接温度场仿真模拟

2.1 基本假设

本次仿真模拟主要做了以下基本假设：忽略熔池内部流动；忽略高温下金属材料汽化和化学反应的影响；认为材料是均匀的并具有各相同性；假设导热系数、密度、比热容等热物性参数不随温度改变而改变[4]。

2.2 热传导方程

激光焊接的热能主要以对流和辐射的方式由激光束向工件传递，对激光焊接温度场的分析以工件的热传导为主。

对于焊接过程温度场的仿真模拟，其导热基本微分方程为：

式中，ρ为密度；c 为比热容；kx，ky，kz分别各向导热系数；T为温度分布；Q为焊接热源内热源强度，由于焊接过程本身不产生热量，即Q=0.

2.3 热源选择

焊接仿真采用的热源模型主要有平面高斯热源，双椭球热源等。当焊件厚度较小时，采用高斯平面热源模型进行仿真能够得到比较精确的结果。因此本文选用平面高斯热源模型对材料为0.8 mm厚的DP600双相钢薄板搭接焊接进行仿真。

高斯平面热源采用高斯函数来描述工件平面上的热流密度分布，其数学模型为：

式中，q（r）为距离光斑中心r处的热流密度；qm为光斑中心热流密度最大值；R为热流分布特征半径；P 为有效功率[5]。

本文的仿真模拟取热流集中程度系数a=2，焊接初始温度为20℃，热对流交换系数为25 W/（m2·°C），有效功率取总功率的80%.

2.4 有限元建模及网格划分

在软件SYSWELD前处理模块中建立仿真模型，尺寸为0.8 mm×20 mm×50 mm的两块DP600双相钢搭接。对模型整体采用较密的网格划分，共生成节点229 372个，单元204 000个。

3 仿真结果分析

3.1 焊接接头瞬态温度场分布

焊接过程中焊缝温度场分布如图1所示，以t=0.2 s时刻为例进行说明。从图中可以看出，热源中心处的峰值温度高于DP600双相钢的熔点，能够实现材料的熔合。当焊接过程变成准稳态之后，焊缝两侧会形成稳定的温度场。热源中心前部温度梯度大，等温线密集，热源后方远离热源中心的区域，等温线相对稀疏，其整体形状与椭圆形相似。

图1 t=0.2 s时刻接头温度场分布

3.2 焊接热循环曲线

焊接线上的节点温度循环曲线如图2所示。从图中可以看出，焊接开始时，工件处在室温情况，节点温度升高速度较慢，存在滞后现象，随着焊接过程进行，节点温度升高的速度越来越快。节点温度在短时间内急剧升高，随热源中心的离开而迅速下降。当节点温度降低到一定值后，降温曲线开始变缓，温度逐步趋于平衡状态，并且节点温度循环的变化趋势基本一致。

图2 节点温度循环曲线

4 结束语

仿真结果表明：焊接过程中的温度场分布整体呈椭圆形，热源中心处温度高于DP600双相钢的熔点，可以进行DP600双相钢的搭接焊接。焊接线上节点的温度在短时间内急剧升高，并且随着热源中心的离开而迅速下降，温度循环曲线呈尖峰状，结果符合激光焊接热循环的特点。

[1]王 志，胡芳友，崔爱永，等.激光焊接技术的研究现状及发展趋势[J].新技术新工艺，2016（3）：42-44.

[2]王振光.基于SYSWELD钢板对焊过程模拟仿真[J].电焊机，2014，44（7）：1-5.

[3]Steve Shi，Steve Westgate，车晓玲.车用高强钢的激光焊接[J].金属加工（热加工），2008（14）：22-26.

[4]杨洪亮，金湘中，修腾飞，等.钢/铝异种金属光纤激光焊接数值模拟[J].激光技术，2016，40（4）：606-609.

[5]刘 丹.激光焊数值模拟及实验研究[D].南昌：南昌大学机电工程学院，2015.

Simulation Analysis of Laser Welding Temperature Field Based on SYSWELD

WANG Tie，SUN Zhi-en
（School of Automobile and Transportation，Shenyang Ligong University，Shenyang Liaoning 110159，China）

It established DP600 dual phase steel laser lap welding model in the SYSWELD and simulatd the welding process by Gaussian surface heat source.It obtained the temperature field distribution of welded joint and the node temperature cycling curve.The results show that this simulation analysis of the actual welding has a guiding significance.

SYSWELD；DP600 dual-phase steel；temperature field；finite element simulation

TG456.7

A

1672-545X（2017）10-0205-02

2017-07-24

王 铁（1969-），男，辽宁沈阳人，博士后，研究生导师，研究方向：车辆现代设计与制造技术。