T型接头双激光束同步焊接热源模型(修改后).docVIP

T型接头双激光束同步焊接热源模型 占小红，陈洁，魏艳红，董志波，陈彦斌 摘要：T型接头双激光束同步焊接技术已经广泛应用于飞机蒙皮与机翼的连接。为了进一步研究这种焊接过程中热，力学行为，需要建立一个合理的热源模型。这篇论文采用两种不同的表—体相结合的热源模型，即由高斯表热源模型和分别由圆锥体热源模型和高斯旋转体热源模型建立的。并且研究两种不同模型的数值模拟实验结果。这次研究探索了两种不同热源对T型接头双激光同步焊接产生的结果，而且，目前的研究对在这一领域的深入研究是非常有用的。 关键词:DLBSW(双激光同步焊接)；热源模型；模拟 0引言 飞机蒙皮与机翼的T型接头双激光同步焊接连接技术是一种新型焊接过程。与传统的T型接头单面焊双面成形技术相比较，这种焊接技术避免了对蒙皮底部的损坏。同时，与传统的铆接接头相比大大的减少了构件的重量。所以，双激光同步焊接工艺被应用于航空制造业。比如，这种工艺广泛应用于空中客车的产品像A318，A340和A380。随着中国的大型飞机件制造的开始，关于飞机机身蒙皮与机翼的T型接头双激光同步焊接技术的研究就一直在发展之中。但是，由于这种焊接技术的复杂性，人们对其具体的过程还没有彻底的弄明白，而且在我们国家，这种技术更希望被应用于生产大型飞机机身的小且薄的或大尺寸的控制面板的复杂焊接件。还有很多其他原因，比如设备复杂，技术落后等等。但是最重要的原因是缺少对材料的冶金学的方法和DLBSW焊接技术基本理论的研究。在DLBSW焊接过程中，两激光束在桁架下形成一个复合熔池。在这种条件下，熔池小孔的形状和冶金学行为都不同于一般的激光束焊接（LBW）。因为激光焊是一种以温度升高极为复杂，不平稳为特点的焊接过程，因此，我们用传统的方法直接研究焊接熔池内部结构受到了极大地限制。所以，有限元分析方法可以在某种程度上弥补了实验法的局限性。 图1 三板连接过程的比较 从1973年Swift-Hook和 Gic开始研究激光焊温度场到现在，激光焊温度场数值模拟已经有了三十多年的研究了。许多国外的和国内的学者已经发表了大量的关于深熔透激光焊接数值模拟的学术论文。本文是从先前的聚焦中心孔和热源模型发展为基于高斯热源分布模型的激光焊温度场数值计算的研究，然后发展为激光深熔焊热流场模拟和形变预测的研究。近年来，激光焊研究变得越来越深刻，越来越有经验。在国内，吴川松，徐久华，杜汉斌，吴肃，熊建刚，王宏，陈彦斌，陈曦等人已经对激光深熔焊中心孔和熔池形成动态过程有了研究，并在这一领域取得了一些成就。 但是，到目前为止还没有关于T型接头双激光同步焊接热源模型的研究报告。为了让T型接头双激光同步焊接有限元分析技术得到应用，应当首先建立T型接头双激光同步焊接热源模型。这篇论文将论述面—体联合热源模型的发展和研究模拟的结果。 模型原理 热源模型 建立热源模型是焊接过程数值模拟中最基本，最重要的一步。有许多计算机焊接热源模型，主要包括：罗森塔尔分析模型，高斯热源分布模型，半球分布热源模型，椭球体热源分布模型，双椭球形热源模型等等。在处理热源模型的方法中，分析法是简单、清晰的一种。但是，分析法由于需要太多的假设说明，在精确度和有效性方面尤其具有局限性。数值处理方法采用材料的非线性特征，还可更进一步改善高温区模拟的精确度。对不同的材料，不同的焊接方法，所有的模型都可以应用，如：高斯分布的面热源模型，还有球形，椭球形，双椭球形分布的体热源模型。通过实验的结果反复的修正热源模型参数，使模型更合理，更精确，可用于和有助于深入的更进一步的模拟研究。 圆柱形热源模型，高斯旋转曲面和圆锥体分布热源模型大多应用于激光深熔焊接。同时，一个面热源模型加上一个体热源模型可以模拟等离子效应和熔池表面状况。根据不同热源应用范围的综合分析，本文集中研究两种面—体联合热源模型，即：“高斯面热源与高斯旋转体热源联合的热源模型”和“高斯面热源与锥体热源联合的热源模型”。当考虑到双激光同步焊接时，就需要两种联合的热源模型。 图2 高斯面热源结构 高斯模型的连续热流密度可定义为： （1） q(r)是半径r处的面连续热流密度，qmax是热源中心连续热流密度的最大值，热量集中系数c是由焊接方法确定的一个定值。 实际上，锥形体热源模型是由一系列深熔焊高斯面热源模型叠加而成。热流密度分布区域横截面积的直径随板厚的增加直线减小。二者的关系可以表示为： （2） q(r,z)是半径为r，深度为z处的热流密度，h是热源的有效深度，r是距热源中心的距离，z是研究位置的深度。高斯旋转体热源沿z方向上的每一个横截面都是圆，且其上的热流密度服从高斯分布。高斯旋转体热源可以表示为：