离合器内片支架激光焊接温度场仿真分析

王 金，褚超美，顾健华，刘纯真

（1.上海理工大学机械工程学院，上海200093；2.上海汽车变速器有限公司，上海201800）

1 引言

激光焊接与传统的熔化焊相比，具有焊接速度快，效率高，热输入小，焊缝质量好等优势[1]。激光焊接过程是一个快速、不均匀的热循环过程，温度梯度较大。其影响主要体现在以下两方面：一方面，焊缝区域会在不均匀温度场的作用下产生较大的热变形，引起焊接件开裂，降低寿命，这直接影响到焊接件的质量和使用性能[2]。另一方面，在高温环境下，焊接件结构将出现不同程度的残余应力，并引起焊件变形，同时焊接结构会进入塑性状态，产生不可恢复的变形，焊接件受热膨胀，会产生很大的热应力。因此，深入研究焊接结构温度场的分布，准确认识焊接热过程是十分必要的，对后续的焊接应力与变形预测控制、组织性能分析具有重要意义。随着计算机技术的飞速发展，国内外许多学者现多采用数值模拟分析方法来研究焊接过程中的温度场[3-5]。数值模拟方法不仅能有效地节约生产成本，而且能深入再现焊接过程，能够更加深入地研究焊接过程中的温度场，现已被越来越多的采用。采用专业焊接有限元计算软件SYSWELD，以某汽车双离合自动变速器（Dual Clutch Transmission，DCT）内片支架与花键轴为研究对象，建立激光焊接三维有限元数值计算模型进行仿真模拟，研究了焊接结构的温度场分布情况。

2 焊接模拟的基本参数

2.1 焊接材料

DCT 离合器内片支架的材料为S355J2G3，花键轴的材料为16MnCr5。进行热学数值计算时，需用到材料随温度变化的热物理性能参数，其中包括导热率、比热容、弹性模量和屈服强度。借助于软件自带的Jmatpro 软件，计算以上热物理性能参数值，得到的材料性能参数，如表1、表2 所示。

表1 S355J2G3 材料性能参数Tab.1 Material Performance Parameters of S355J2G3

表2 16MnCr5 材料性能参数Tab.2 Material Performance Parameters of 16MnCr5

2.2 焊接工艺参数

仿真所采用的激光器型号为PRC4000-CO2，激光焊接的焊缝为圆环形焊缝，激光焊接具体工艺参数，如表3 所示。

表3 激光焊接工艺参数Tab.3 Laser Welding Parameters

3 有限元计算模型的建立

3.1 数学模型的建立

对激光焊接温度场的分析，属于典型的非线性瞬态热传导问题[6]，其控制方程为：

式中：ρ—密度；c—比热容；λ—热导率，是关于温度T的函数内热源强度，由于焊接本身不产生热量，即

3.2 有限元建模及网格划分

汽车双离合器内片支架作为离合器的从动部分，对外承托摩擦片与离合器钢片，共同承受摩擦片与离合器钢片结合时从发动机端传递来的扭矩，带动从动轴一起转动[7]。按照焊接结构实际尺寸大小，借助于UG 建立目标DCT 内片支架与花键轴的三维模型，如图1（a）所示。

图1 三维结构模型及网格划分模型Fig.1 Three Dimensional Structure Model and Grid Partition Model

为了节省计算时间并且能够保证计算精度，采用非均分网格。采用4 节点四面体单元对模型进行网格划分，在焊缝区域采用较细的网格，总共划分为70660 个节点，163400 个单元。模型网格划分，如图1（b）所示。

3.3 边界条件的设置

3.3.1 热边界条件

此焊接工件是在室温下进行焊接，在SYSWELD 中，热边界条件定义为初始室温20℃。在激光焊接过程中，焊接热源与周围区域以及焊接工件与空气之间存在热对流和热辐射现象。热辐射对本次模拟影响较小，因此，只考虑热对流。

3.3.2 约束条件

本模拟建立DCT 内片支架与花键轴焊接结构模型的位移约束边界条件，即通过对内片支架、花键轴内边缘的多个对称节点的自由度施加位移全约束。

3.4 热源选择及校核

对于激光焊接，考虑到激光熔池和匙孔对焊接区域的影响，采用双椭球形热源模型，其热流密度分布在椭球体内，能够更精确地模拟焊接温度场[8]。热源模型，如图2 所示。热源的热流分布为：

图2 双椭球形热源模型Fig.2 Double Ellipsoidal Model

式中：r2=x2+y2；R0=Re-（Re-Ri）（Ze-Z）/（Ze-Zi）；q0—热源最大能量密度（W/mm3）；Re—上表面最大特征半径（mm）；Ri—上表面最大特征半径（mm）；R0—与深度有关的熔池半径（mm）。

借助SYSWELD 热源校核工具，对热源模型进行校核，得到了焊缝横截面的试验结果和熔池形貌的计算结果的对比，如图3所示。

图3 焊缝实物图与仿真计算结果对比Fig.3 Comparison of Practicality Picture of Welded Seam and Simulation Results

由图可知激光焊缝是“钉形”焊缝，深宽比较大，仿真计算得到的结果与试验所得的焊缝横截面的熔化区和热影响区大小相当、形状相似，验证了所建立热源模型的可靠性。

4 仿真结果分析

4.1 焊接温度场分布特征

焊接温度场分布特征，如图4 所示。焊接开始后，温度便迅速升高，如图4（a）和4（b）所示。t=0.5s 时刻，焊接工件上的最高温度大约在1736℃，温度已经达到材料的熔点（1500℃），故材料开始熔化，熔池此时开始形成；焊接时间达到2.5s 时，形成了准稳态温度场；焊接结束（9s）时，温度场在长度和宽度方向上基本保持不变，等温线随着激光光斑一同向前移动，如图4（c）所示。冷却到第13.5s 时，如图4（d）所示。峰值温度为287℃，焊接区域一直冷却直至到室温。

图4 不同时刻的焊接温度场分布云图Fig.4 Distribution of Welding Temperature Field at Different Moments

从图中还可以看出，焊接热源不断向前移动，热源前方的温度梯度大，等温线密集，热源后方的温度梯度小，等温线稀疏，呈拉长的椭圆形状，熔池上表面呈典型的卵形分布。

4.2 焊缝中心各点的热循环曲线

取焊接线上的焊接起始点为0°位置，分别在0°、90°、180°、270°取四个参考点进行仿真，得到四个特征点的热循环曲线，如图5 所示。在90°、180°、270°这三个位置处的参考点，热循环曲线趋势相同，到达峰值温度的时间不同。这主要是因为激光热源沿着焊接线向前移动，到达这三个位置处的先后顺序不同，而焊接过程一直处于准稳态，热循环曲线分布除了到达峰值温度的时间不同外，变化趋势基本相同；而0°位置热循环曲线比较特殊，其原因是内片支架与花键轴形成的焊缝是一个封闭圆环形焊缝，0°位置是焊接的起始点也是终点，从而在该位置产生两个加热-冷却过程。

图5 沿焊缝线方向不同位置热循环曲线Fig.5 Thermal Cycling Curve at Different Directions Along the Weld Line

4.3 垂直于焊缝方向各点的热循环曲线

在垂直于焊接线方向上依次取距离中心线0mm、1.5mm、3.5mm、5.5mm、7.5mm、9.5mm、11.5mm、13.5mm 和15mm 九个特征点，各点的热循环曲线，如图6 所示。

图6 距焊缝线不同点的热循环曲线Fig.6 Thermal Cycling Curve at Different Points of Weld Center

由图6 可见，在焊接过程中，垂直于焊缝线上各点的热循环曲线趋势基本一致，先迅速升温，达到最高温度之后，再慢慢冷却至室温；各特征点的升温速度比冷却速度要快得多，这是因为随着热源远离节点，熔池开始慢慢冷却，但仍会受到后面熔池的影响，从而冷却速度会降低，最终都会冷却至室温。从图中还可以看出在焊缝线中心（0～3.5）mm 处，此区域焊接件受到不均匀温度场的作用，焊接区峰值温度在（900～2340）℃之间，这个温度远高于周围区域。焊接区的材料为低碳钢，而低碳钢的热变形温度一般控制在1000℃[9]，这个区域的峰值温度基本上都超过了热变形温度，材料受到热膨胀，屈服强度下降，热应力迅速增大，此处最容易发生热变形，焊缝的热影响区容易出现裂纹等现象，从而导致焊接件结构失效。

4.4 焊缝相的演变过程

焊接过程中温度激增会影响金属组织的相变，这对焊接冶金和焊接接头组织性能的预测有很重要的意义[10]。现取焊缝线上焊接接头处（节点45274），研究其相演变过程，如图7 所示。焊接时间为6.5s 左右时，处于升温阶段，焊初始相由铁素体开始转变为奥氏体；27s 时，焊接已经结束，节点处于冷却降温阶段，奥氏体迅速转变为马氏体，同时伴随着生成少量的粒状贝氏体。由于高温停留时间极短，高温作用下的奥氏体晶粒不会产生粗大化现象，从而当焊缝冷却后，热影响区的显微组织主要为马氏体。由图中还可以看出，各相的比例关系总是确定的，马氏体约占整体的95%，贝氏体约占5%，可以预测，焊接接头将具有较高的强度和良好的韧性。

图7 焊接接头（节点45274）的相演变过程Fig.7 Phase Evolution Process of Welded Joints（Node45274）

5 结论

（1）采用数值模拟方法，建立了DCT 内片支架与花键轴的激光焊接三维有限元数值计算模型，模型采用了双椭球形热源，实际焊接试验获得的焊缝截面和仿真模拟得到的焊缝截面形貌基本吻合。

（2）温度场仿真结果显示，焊缝区域温度梯度分布较大，焊接时间为2.5s 时，温度场进入准稳态；激光焊接的焊缝为圆环形焊缝，在焊接接头处存在二次加热；垂直于焊缝线不同的点，焊接热循环曲线趋势基本相同，各点的升温速度高于冷却速度，距离焊缝线（0～3.5）mm 处，此区域的最高温度超过了热变形温度，容易产生热应力，发生热变形。

（3）通过对焊缝及热影响区相组织演变过程的模拟，可以确定焊接过程中相变成分的比例，即95%的马氏体加5%的贝氏体。焊接接头处的金属组织主要成分为马氏体，在此工艺下，焊接接头具有较高的强度和良好的韧性。