3-2 铍环激光焊接的三维数值仿真

颜怡霞 董 平 陈裕泽

　　激光焊接是用聚焦后具有高功率密度的激光束为热源的特种熔化焊接方法，其能量高、时间短。在激光焊接过程中，由于热源的快速移动，整个焊件的温度、应力应变随时间和空间急剧变化，同一时刻存在加热和冷却、加载和卸载现象，因此采用三维模型能准确地描述激光焊接过程中的应力和温度变化。但是三维焊接分析需要高性能计算机、计算时间长以及较难保证高温下的计算精度和稳定性。以MARC软件为平台，由自编程序对钢壳激光焊接过程进行三维数值仿真，讨论在激光焊接过程中，壳体温度和应力随时间和空间的变化过程，并将三维计算结果与二维轴对称计算模型的结果进行了比较，分析了热源移动对焊接温度和应力的影响。

　　研究的是铍环对接激光焊，热源沿铍环焊缝一周移动，如果采用轴对称模型是无法模拟热源移动过程的，为了实时模拟热源移动过程中温度和应力的变化规律，必须采用三维模型进行分析。图1为采用轴对称模型和三维模型计算得到的焊接结束后铍环外表面的等效应力沿轴向的分布曲线。曲线表明，两种模型计算得到的表面残余应力分布规律相同，但是在q =0°(起弧)或360°截面(收弧)上，三维模型的应力要比轴对称模型的应力大；而在q =90°和270°截面上，三维模型的应力值与轴对称模型计算得到的应力值较为接近。这主要是因为q =0°和360°截面分别属于焊接升温开始和升温结束瞬间的截面，经历了两次焊接热循环，温度较高，而壳体其余截面只经历了一次热循环，其温度较低，因此在焊接升温开始和升温结束的瞬间截面的应力高于其余截面的应力。在铍环焊接时，起弧和收弧部位容易发生破坏，这与焊接实验所得到的现象吻合。

　　分析表明，采用轴对称模型可以简化模拟热源移动焊接在进行中的残余应力分布，但是它不能准确地描述起弧和收弧部位的应力分布，而三维模型的计算结果能更真实地反映激光焊接过程的实际情况。