唐蒙蒙　吕鹏　姚君山　张书权

[摘要]基于有限元软件SYSWELD对不锈钢316LN激光自熔焊接的温度场进行了三维动态模拟，得出了瞬态温度场分布图和特征点的热循环曲线。结果表明，激光起始焊时温度瞬间就超过材料的熔点，焊接中最高温度达到3300°C左右，进入了深熔焊模式。

[关键词]SYSWELD;316LN;激光焊接;温度场;数值模拟

引言

316LN不锈钢的激光焊接容易产生凝固裂纹、液化裂纹及局部应力较大等问题，为了摸索出满足要求的焊接工艺参数，焊前有必要对激光焊接展开数值模拟。SYSWELD是焊接专业类的典型代表之一，已被用于焊接数值模拟方面的研究;而目前激光焊多为不加填充金属的自熔焊接，而焊接温度场又是研究应力应变场的基础，故深入研究激光自熔焊接温度场是必要的。

一、有限元模型

（一）几何模型

以316LN不锈钢为焊接试板，其尺寸大小：100×100×5mm，接头为对接，采用不留间隙激光自熔焊方法，有限元网格模型如图1所示，为节省计算时间，网格划分采用非均匀形式，由于激光光斑小，在离焦量为+5mm时光斑直径为0.5mm左右，即焊缝及附近区域网格尺寸为0.5mm，而远离焊缝区域，网格尺寸逐渐增加到2mm。

（二）热源模型

热源模型的建立是进行焊接温度场数值模拟的关键所在，以往基于激光焊接中小孔、等离子体与熔池特点等，先后出现了线性热源、柱状热源、椭球、组合热源及高斯圆锥形热源等，带锥形的三维高斯分布的热源模型被认为是最接近实际的激光焊接的热源模型，因此采用3D高斯圆锥形热源来对激光自熔焊接进行模拟计算。

（三）边界条件

进行应力计算时，为防止计算中产生刚性位移，需要施加位移约束条件，而使计算不能收敛，但位移约束条件又不能严重阻碍焊接中的应力自由释放和变形。基于上述原因，则在试样中间施加约束条件如图2所示，这样计算结果将与实际焊接相一致。

图1有限元网格模型

图2边界约束条件

二、温度场数值模拟结果及分析

（一）焊接温度场分布特征

采用激光自熔焊方法，工艺参数：焊接速度为1.0m/min，激光功率为3500W。利用有限元软件SYSWELD生成动画功能，可以显示整个激光焊接过程中温度场动态变化规律，如图3所示，其中（a）、（b）为焊接时的云图。

由图3可知，激光自熔焊接时，焊缝各点瞬时温度随时间而改变。自焊接开始到0.06秒时，温度迅速从常温上升到2732°C，如图3（a）所示，说明在焊接过程中，316LN试板吸收激光能后，通过激发带电粒子的谐振以及粒子间的互相碰撞，光能转换为热能，这一过程是在瞬间完成的，因此激光自熔焊起始阶段不存在未焊透现象，而传统电弧焊起始阶段往往有一小段未焊透缺陷，就是因为电弧焊从室温到母材熔点温度需要一个过程。图3（b）达到准稳态溫度场，温度从0.06秒以后迅速上升到最高温度3300°C左右，超过了316LN的沸点2711°C，说明激光自熔焊时，母材表面在激光辐射下产生汽化，同时蒸汽产生反冲压力作用，使得熔融金属表面形成小孔凹陷，即形成激光自熔焊小孔焊接，然后进入正常的激光深熔焊模式。

结语

第一，根据所建立有限元模型对温度场的计算结果，激光起始焊时温度瞬间超过材料的熔点，并很快进入准温度场，最高温度超过3300°C，激光焊进入深熔焊模式，并证实了激光焊接在起始阶段不存在未焊透现象。

第二，通过对温度场云图的计算结果，表明所建立的有限元模型是合理的，可以为焊接实际生产及焊接工艺参数的优化提供一定的指导意义。

参考文献：

[1]张书权，王仲珏，代礼，等.0Cr18Ni9不锈钢焊接温度场的数值仿真[J].安徽工程大学学报，2011，26（3）;20-22.

[2]张书权，王仲珏，代礼，等.基于SYSWELD的T型接头温度场的数值模拟[J].热加工工艺，2011，40（7）：133-135.

[3]李俐群，张亮，戴景明.激光填丝多层焊温度场和应力场的数值模拟[J].中国激光，2011（10）：47-51.