摘 要：采用船用钢薄板激光对接焊缝为研究对象，借助商用有限元软件ABAQUS，研究了其建模方法和特点，对激光对接焊缝的温度场和残余应力的进行了有限元模拟数值分析，为研究激光对接焊缝的分析和预测提供理论数据和依据。
关键词：激光焊接；薄板；有限元；建模
中图分类号：TG45文献标识码：A1.激光焊数值模拟的现状
激光焊接过程是个非常复杂的物理化学过程，所涉及的领域也相当广泛，现阶段要通过单一的数学物理模型来完整地模拟激光焊接过程所涉及的全部现象是很难做到的。复杂的模型不仅增加计算时间，而且有时还得不到好的计算结果。当我们偏重于某些现象比如焊接温度场和残余应力的模拟时，对焊接温度场和应力影响比较小的因素可以忽略。
激光焊数值模拟的工作主要是关注由激光加热引起的焊接温度场的分布及其对焊接应力、变形以及接头性能的影响，此外，对匙孔形状、熔池流场、等离子体形状以及焊缝组织的分析。
在造船、桥梁结构等工程领域，对接焊缝被广泛应用，是结构钢中一种常用的焊接接头形式。焊接过程中的局部加热，随后的快速冷却在焊缝中产生残余应力，它是焊接接头和焊接结构失效重要因素之一。对焊接引起的残余应力的预测和优化是非常有必要的，国内外许多学者作了一定的工作。本文通过商用有限元软件ABAQUS通过建立3维热弹塑性有限元模型对激光对接焊接头的温度场，焊接残余应力进行预测分析。
2.国产3 mm船用钢板激光对接焊焊接温度场及焊接变形的数值模拟
2.1FEM模型
在本研究中采用200mm*75mm*3 mm船用钢板激光对接焊为对象，所建立的有限元计算模型及网格，采用了3维8节点单元。对接接头有限元几何模型的节点总数为5350，单元总数为4100。在网格划分时，为了兼顾计算精度和计算时间的问题，在焊接区及其附近有限元网格划分得比较稠密，而远离焊接区域的部分网格相对划分得稀疏一些。
2.2计算方法和计算过程
本模拟采用ABAQU Version 6.4商用有限元模拟软件，ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。
采用热弹塑性有限元方法来模拟低碳钢焊接接头的变形。在热弹塑性有限元分析中，采用弱偶合的方式，先进行温度场的计算，然后将温度场的计算结果以热载荷的形式作为力学计算的载荷条件进行应力分析。在计算温度场和应力场时，考虑了材料的高温热物理性能和高温机械性能。整个计算流程如图1所示。
图1有限元计算流程图
焊接过程中，热在焊接金属中的的传导遵循付里叶(Fourier""s Law) 传热定律。
本文采用双椭球高斯体积热源来模拟移动的激光焊接热源。这个热源模型可以由下面两个方程来描述：
热源前部 (1)
热源后部(2)
x""=x0+vt
上述方程中，a，b，c分别是椭球在x，y，z方向上的三个半轴长度(a1-前部椭球的x方向半轴，a2-后部椭球的x方向半轴，x0是激光中心的初始位置，Q是单位时间的入热量，t是焊接时间，v是焊接速度。x""，y""，z""是热源中心在焊接模型上的瞬时局部坐标，局部坐标的原点是焊接开始的位置。
ff和fr分别是热源前后的入热分配系数，而且ff+fr=2.0.
在激光焊接中，焊接熔池的前部的温度梯度较后部的大，可以调整a1和a2的值来改变上述ff和fr两个参数来表现这一特征。同时，在温度场计算时通过改变上述各个参数来得到合理的熔池形状和融合区域。在有限元模拟计算中，假定吸收率为0.90。在ABAQUS Code中，通过开发特定的子程序来模拟焊接移动热源。
在计算焊接温度场时，采用了材料的高温热物理性能。这里假定焊缝和母材具有相同的热物理性能。而且，假定材料各向同性。为了比较准确地计算焊接熔池温度分布，对于熔池的对流现象，通过人为修正熔点温度以上的热传导系数来近似模拟。另外，在温度场计算模型中，也考虑固相-液相的熔化潜热，低碳钢的融化潜热被设定为270J/g，熔化温度区间价定为1430℃-1480℃。
在焊接过程中，焊接热源产生的热通过传导方式在工件中传播，同时工件表面和周围的空气介质之间进行对流热交换，另外，高温的金属也对外进行辐射传热。在本文中，除了考虑焊接中的非线性热传导外，同时也考虑了对流和辐射。计算时，环境温度被设定为20℃。在ABAQUS Code中，通过开发特定的用户子程序来模拟复合热边界条件
2.3焊接残余应力的计算
在计算焊接残余应力时，将温度场计算的结果作为热载荷加载到应力应变计算模块中进行计算。用于应力计算的有限元模型和计算温度场时的模型一样，只是单元类型不同。
在焊接过程中，焊缝及其附近的金属被快速加热到高温后再冷却到室温。金属材料在这样的热循环作用下，伴随很多力学现象产生，诸如热膨胀与收缩，在应力作用下的发生弹性变形，由滑移等产生的塑性变形，在相变过程中产生的体积变化，在高温时还有蠕变现象的的产生等。因此，应变的成分十分复杂。
在焊接低炭钢时，由于固态相变对焊接残余应力和焊接变形几乎没有影响，同时蠕变现象也不明显，因此材料的应变率可以有式(3)来进行描述。
(3)
这里 －弹性应变率， －塑性应变率，
－热应变率。
弹性应变计算遵循虎克定律，而且材料的弹性模量和泊桑比是温度的函数。热应变通过随温度变化而变化的热膨胀系数来计算。对塑性应变的计采用密赛丝丝准则，同时考虑材料的屈服强度随温度的变化。由于低炭钢材料的加工硬化不明显，本文忽略了加工硬化的影响。
2.4焊接条件
焊接参数：激光功率 8 kW，焊接速度 3000mm/min (50mm/s)
拘束条件：Case A-1（200mm*75mm*3mm），自由无拘束状态下进行焊接模型大小与实际尺寸基本一致。
2.5 对接接头的计算结果
2.5.1 温度场计算结果
首先对对接接头进行温度场的计算。接头的温度分布、典型位置的热循环曲线分别如图 2、图 3和图 4所示。
图2对接接头焊接过程中温度分布
图3焊缝中心的上下表面热循环曲线
图4热影响区和母材的热循环曲线（焊件表面）
2.5.2残余应力计算结果
在温度场的计算结果基础上进行残余应力的计算。计算结果如图 5至图 6所示。
图 5接头中央断面平行焊接方向的残余应力分布（纵向应力）：Case A-1
图 6接头中央断面与焊接方向垂直的残余应力（横向应力）分布：Case A-1
图 13 接头纵向沿焊逢中心线和板边缘线的平行焊接方向的残余应力分布 (Case A-1)
3.国产3mm船用钢板激光对接焊接的数值模拟结果分析
激光焊对接接头温度场的分析，我们可以看到焊缝处上下表面的温度差不大，而且整个板厚方向的最高到达温度高于低碳钢熔点温度，也就是说3mm厚的板在激光热源加热时完全被焊透了。而激光焊接后的HAZ区峰值温度尚未达到或接近于低碳钢的熔点温度，且时间非常短暂，故焊接热循环对HAZ区组织影响比较小，焊接接头所形成的HAZ区就比较窄而小。靠近HAZ区的母材的热循环曲线在2~3s以内升温又回落的过程后曲线基本趋于平缓﹙位于300℃~400℃区域﹚，说明该处母材处于中温回火温度区，此区域焊接后的母材可以具备良好的韧塑性、较高的强度及硬度。
激光焊接时，对接接头的残余应力分布特点是在焊接线方向的残余应力上下表面的差很小，由于焊接方向自拘束较大，焊缝附近的最大残余拉应力和材料常温下的屈服应力相当。垂直焊接方向的残余应力在板上下表面上几乎没有差异，应力的最大值比较小，远低于材料的屈服强度。接头纵向沿焊逢中心线和板边缘线的平行焊接方向的残余应力分布特点是焊缝中心区域的最大残余拉应力和材料常温下的屈服应力相当，两端部拘束较小故焊接残余应力较小或接近于零；而板边缘区域的残余应力分布特点是中部地方存在数值较小的焊接残余压应力，两端部拘束较小同样是焊接残余应力较小或接近于零。
结论
本文研究了激光对接接头温度场和焊接残余应力的有限元建模方法，对移动热源和焊接板件进行了合理近似真实的建模和编程，使计算模型更逼近于激光焊接接头的实际状况，通过数据分析，获得了焊接温度场和残余应力的数值，提供了从理论数据分析来印证实际的焊接接头一种分析和预测方法。
参考文献
[1]Teng，T.-L.；Fung，C.-P.；Chang，P.-H.； Yang，W.-C.Analysis of residual stresses and distortions in T-joint fillet welds. International Journal of Pressure Vessels and Piping，v 78，n 8，August 2001，p 523-538.
[2]韩海玲，董晓强.丁字接头的温度场和应力场的有限元模拟[J].沈阳工业大学学报，Vol.
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