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如何在 Abaqus 中模擬激光焊接

技術(shù)文章 2025-07-04

激光焊接是一種精密連接技術(shù)，利用聚焦激光束熔化并融合材料，主要是金屬和熱塑性塑料。它以能夠形成窄而深的焊縫且熱影響區(qū) (HAZ) 最小而著稱，這使其成為現(xiàn)代制造業(yè)的基石。由于其效率高且易于自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用，該工藝廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、電子和醫(yī)療器械制造等領(lǐng)域。使用領(lǐng)先的有限元分析 (FEA) 軟件 Abaqus 模擬激光焊接，工程師能夠預(yù)測溫度分布、應(yīng)力場、變形和殘余應(yīng)力等結(jié)果，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)而無需物理原型。本文探討了 Abaqus 中的模擬過程、理論基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用，為工程師和研究人員提供參考。

激光焊接簡介

激光焊接是一種利用聚焦激光束熔化并連接各種材料（通常是金屬或熱塑性塑料）的技術(shù)，焊接精度極高。它能夠形成牢固、清潔且變形極小的焊縫，廣泛應(yīng)用于汽車和航空航天等行業(yè)。該工藝以其高效而聞名，是小規(guī)模精密加工和大規(guī)模生產(chǎn)的理想選擇。

激光焊接的類型

激光焊接包含多種模式，每種模式都針對特定的應(yīng)用：

連續(xù)波 (CW) 激光焊接：這種方法采用穩(wěn)定的激光束，適用于深熔焊接。它通常用于大批量應(yīng)用，焊接速度更快，尤其適用于較厚的材料。例如，它是需要牢固接頭的汽車部件的理想選擇。
脈沖激光焊接：該技術(shù)的特點(diǎn)是脈沖長度為毫秒，非常適合薄型材料，例如剃須刀片或精密電子元件。它可以降低孔隙率和飛濺，從而提高焊接質(zhì)量，但可能會(huì)在鋁合金等合金中引發(fā)熱裂紋，因此需要謹(jǐn)慎選擇參數(shù)。
激光混合焊接：這種方法將激光束焊接與電弧焊（例如氣體保護(hù)金屬極電弧焊 (GMAW)）相結(jié)合。激光可提高焊接速度，而電弧則提供熔融金屬，從而提高填充和接頭強(qiáng)度。它具有更大的定位靈活性，比單純的 GMAW 焊接速度更快，并且減少了咬邊，非常適合用于復(fù)雜的組件。
遠(yuǎn)程激光束焊接：在該技術(shù)中，激光束通過激光掃描儀沿焊縫移動(dòng)，機(jī)械臂不跟隨焊縫移動(dòng)。該技術(shù)速度更快、精度更高，尤其適用于處理復(fù)雜的幾何形狀，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)線中越來越受歡迎。

激光焊接的優(yōu)勢

激光焊接具有顯著的優(yōu)勢，增強(qiáng)了其在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用：

高精度：聚焦激光束可實(shí)現(xiàn)窄而深的焊接，確保接頭清潔、準(zhǔn)確，這對于精密工程應(yīng)用至關(guān)重要。
最小熱影響區(qū) (HAZ)：集中的能量可最大限度地減少熱變形，保持基材的機(jī)械性能，這對于精密或熱敏感的組件至關(guān)重要。
多功能性：它可以焊接多種材料，包括碳鋼、高強(qiáng)度低合金 (HSLA) 鋼、不銹鋼、鋁和鈦，并且能夠連接不同的金屬，擴(kuò)大設(shè)計(jì)可能性。
焊接速度高：促進(jìn)快速生產(chǎn)率，提高制造環(huán)境的吞吐量。
減少變形：與電弧焊等傳統(tǒng)方法相比，較低的熱應(yīng)力可減少翹曲，確保尺寸穩(wěn)定性。
自動(dòng)化友好：可輕松集成到機(jī)器人系統(tǒng)中，支持一致的大批量生產(chǎn)，提高效率并降低勞動(dòng)力成本。
無需 X 射線或真空：與電子束焊接不同，它在露天操作不會(huì)產(chǎn)生有害輻射，從而提高了安全性和可達(dá)性。

激光焊接的數(shù)學(xué)理論

激光焊接背后的理論涉及對傳熱和材料行為的理解。研究表明，基于傅里葉-比奧方程的熱傳導(dǎo)模型有助于預(yù)測溫度分布，而多物理場模型則可以解釋流體流動(dòng)和相變。這些問題通常使用有限元法 (FEM) 軟件進(jìn)行求解，高斯或雙橢球等熱源模型可以提高精度。

在 Abaqus 中模擬激光焊接

在 Abaqus 中模擬激光焊接需要建立一個(gè)具有溫度相關(guān)材料屬性（例如熱導(dǎo)率和比熱容）的模型。Dflux 子程序定義熱源，例如圓柱回旋正則 (CIN) 模型，該過程包括焊接和冷卻步驟。這可以分析熱分布、應(yīng)力和變形，從而有助于優(yōu)化焊接參數(shù)。

模擬激光焊接具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

預(yù)測分析：了解工藝參數(shù)（例如激光功率、光束半徑、焊接速度）如何影響焊接質(zhì)量。
優(yōu)化：確定最佳參數(shù)，以最大限度地減少變形和殘余應(yīng)力，同時(shí)確保焊接牢固。
節(jié)省成本和時(shí)間：通過虛擬驗(yàn)證設(shè)計(jì)減少對物理原型的依賴。
復(fù)雜幾何形狀：模擬難以通過實(shí)驗(yàn)測試的復(fù)雜形狀和材料的焊接。

Abaqus 特別適合這項(xiàng)任務(wù)，因?yàn)樗哂袕?qiáng)大的耦合熱機(jī)分析能力和 DFLUX 等用戶定義子程序，這對于焊接模擬中的熱源建模至關(guān)重要。

Abaqus 中激光焊接仿真的步驟

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，在 Abaqus 中模擬激光焊接涉及幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

模型設(shè)置

創(chuàng)建要焊接的組件（例如，板或管道）的 3D 模型。
使用適當(dāng)?shù)脑仡愋瓦M(jìn)行熱分析，例如 DC3D8（8 節(jié)點(diǎn)線性傳熱磚元素）。
確保網(wǎng)格足夠細(xì)，以便準(zhǔn)確捕捉焊接區(qū)域附近的熱梯度，同時(shí)又足夠粗，以控制計(jì)算時(shí)間。例如，在熔池附近使用更細(xì)的網(wǎng)格對于捕捉陡峭的熱梯度至關(guān)重要，而對于較遠(yuǎn)的區(qū)域，可以使用更粗的網(wǎng)格來優(yōu)化計(jì)算效率。

材料特性

密度
熱導(dǎo)率
比熱
熱膨脹
彈性特性
塑料特性
定義工件材料（例如不銹鋼或鈦）的溫度相關(guān)材料特性。
主要屬性包括：
這些特性對于加熱和冷卻階段的準(zhǔn)確熱和結(jié)構(gòu)分析至關(guān)重要。
示例：對于不銹鋼（SA240），可以使用 Excel 文件或直接在 Abaqus 中將屬性作為溫度函數(shù)輸入，確保模型反映不同溫度下的真實(shí)材料行為。

熱源定義

高斯分布：表示鐘形熱分布，適用于表面加熱。
圓柱卷繞法線 (CIN)：考慮深度的體積熱輸入，通常用于深熔焊接。
使用 DFLUX 子程序定義代表激光束的非均勻熱通量。
激光焊接常見的熱源模型包括：
高斯激光束的熱通量方程可以表示為：

這里：

（Q）是總熱輸入（激光功率），
r_b是光束半徑，

(f(z,t))考慮了深度和時(shí)間依賴性。

在 Abaqus 中，這是通過 DFLUX 子程序?qū)崿F(xiàn)的，它允許用戶將自定義熱通量分布定義為位置和時(shí)間的函數(shù)。

焊接路徑和速度

對于線性路徑：使用 mm/s。
對于圓形路徑：使用以下方法將線速度轉(zhuǎn)換為弧度/秒
定義激光束的路徑（例如，對于平板為線性路徑，對于管道為圓形路徑）。
指定焊接速度：

邊界條件

對流：使用薄膜條件來模擬環(huán)境熱量損失。
輻射：可選，以實(shí)現(xiàn)更精確的熱傳遞，尤其是在高溫下。
應(yīng)用熱邊界條件：
如果進(jìn)行耦合熱機(jī)械分析，則應(yīng)用機(jī)械邊界條件（例如，固定支撐以防止剛體運(yùn)動(dòng)），確保真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)行為。

分析步驟

焊接過程：模擬激光束產(chǎn)生的加熱（例如，繞管道一圈需要 6.283 秒）。
冷卻過程：模擬冷卻至室溫（例如，1000 秒），捕捉殘余應(yīng)力的發(fā)展。
設(shè)置耦合溫度-位移步驟：
確保時(shí)間增量足夠小，以捕捉焊接過程中的快速熱變化，對于激光工藝通常以毫秒為單位。

運(yùn)行模擬

根據(jù)模型的復(fù)雜程度，在 Abaqus/Standard 或 Abaqus/Explicit 中執(zhí)行模擬。Abaqus/Standard 通常用于靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)分析，而 Abaqus/Explicit 則適用于動(dòng)態(tài)效應(yīng)分析。
監(jiān)控收斂問題，并在必要時(shí)調(diào)整網(wǎng)格或時(shí)間增量，以確保穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

后期處理

焊接過程中的溫度分布，通過等值線圖可視化。
焊接后的應(yīng)力場和變形對于評估結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。
冷卻后殘余應(yīng)力會(huì)影響長期性能。
分析結(jié)果：
使用歷史輸出來跟蹤溫度和應(yīng)力隨時(shí)間的變化，有助于參數(shù)優(yōu)化。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將焊道幾何形狀、熱分布或殘余應(yīng)力與物理測試進(jìn)行比較。