激光焊接是一种精密连接技术，利用聚焦激光束熔化并融合材料，主要是金属和热塑性塑料。它以能够形成窄而深的焊缝且热影响区 (HAZ) 最小而著称，这使其成为现代制造业的基石。由于其效率高且易于自动化系统应用，该工艺广泛应用于汽车、航空航天、电子和医疗器械制造等领域。使用领先的有限元分析 (FEA) 软件 Abaqus 模拟激光焊接，工程师能够预测温度分布、应力场、变形和残余应力等结果，从而优化设计而无需物理原型。本文探讨了 Abaqus 中的模拟过程、理论基础和实际应用，为 工程师和研究人员提供参考。

激光焊接简介

激光焊接是一种利用聚焦激光束熔化并连接各种材料（通常是金属或热塑性塑料）的技术，焊接精度极高。它能够形成牢固、清洁且变形极小的焊缝，广泛应用于汽车和航空航天等行业。该工艺以其高效而闻名，是小规模精密加工和大规模生产的理想选择。

激光焊接的类型

激光焊接包含多种模式，每种模式都针对特定的应用：

• 连续波 (CW) 激光焊接： 这种方法采用稳定的激光束，适用于深熔焊接。它通常用于大批量应用，焊接速度更快，尤其适用于较厚的材料。例如，它是需要牢固接头的汽车部件的理想选择。

• 脉冲激光焊接： 该技术的特点是脉冲长度为毫秒，非常适合薄型材料，例如剃须刀片或精密电子元件。它可以降低孔隙率和飞溅，从而提高焊接质量，但可能会在铝合金等合金中引发热裂纹，因此需要谨慎选择参数。

• 激光混合焊接： 这种方法将激光束焊接与电弧焊（例如气体保护金属极电弧焊 (GMAW)）相结合。激光可提高焊接速度，而电弧则提供熔融金属，从而提高填充和接头强度。它具有更大的定位灵活性，比单纯的 GMAW 焊接速度更快，并且减少了咬边，非常适合用于复杂的组件。

• 远程激光束焊接： 在该技术中，激光束通过激光扫描仪沿焊缝移动，机械臂不跟随焊缝移动。该技术速度更快、精度更高，尤其适用于处理复杂的几何形状，在现代自动化生产线中越来越受欢迎。

激光焊接的优势

激光焊接具有显著的优势，增强了其在各个行业的应用：

• 高精度：聚焦激光束可实现窄而深的焊接，确保接头清洁、准确，这对于精密工程应用至关重要。

• 最小热影响区 (HAZ)：集中的能量可最大限度地减少热变形，保持基材的机械性能，这对于精密或热敏感的组件至关重要。

• 多功能性：它可以焊接多种材料，包括碳钢、高强度低合金 (HSLA) 钢、不锈钢、铝和钛，并且能够连接不同的金属，扩大设计可能性。

• 焊接速度高：促进快速生产率，提高制造环境的吞吐量。

• 减少变形：与电弧焊等传统方法相比，较低的热应力可减少翘曲，确保尺寸稳定性。

• 自动化友好：可轻松集成到机器人系统中，支持一致的大批量生产，提高效率并降低劳动力成本。

• 无需 X 射线或真空：与电子束焊接不同，它在露天操作不会产生有害辐射，从而提高了安全性和可达性 。

激光焊接的数学理论

激光焊接背后的理论涉及对传热和材料行为的理解。研究表明，基于傅里叶-比奥方程的热传导模型有助于预测温度分布，而多物理场模型则可以解释流体流动和相变。这些问题通常使用有限元法 (FEM) 软件进行求解，高斯或双椭球等热源模型可以提高精度。

在 Abaqus 中模拟激光焊接

在 Abaqus 中模拟激光焊接需要建立一个具有温度相关材料属性（例如热导率和比热容）的模型。Dflux 子程序定义热源，例如圆柱回旋正则 (CIN) 模型，该过程包括焊接和冷却步骤。这可以分析热分布、应力和变形，从而有助于优化焊接参数。

模拟激光焊接具有以下几个优点：

• 预测分析：了解工艺参数（例如激光功率、光束半径、焊接速度）如何影响焊接质量。

• 优化：确定最佳参数，以最大限度地减少变形和残余应力，同时确保焊接牢固。

• 节省成本和时间：通过虚拟验证设计减少对物理原型的依赖。

• 复杂几何形状：模拟难以通过实验测试的复杂形状和材料的焊接。

Abaqus 特别适合这项任务，因为它具有强大的耦合热机分析能力和 DFLUX 等用户定义子程序，这对于焊接模拟中的热源建模至关重要。

Abaqus 中激光焊接仿真的步骤

根据行业标准实践，在 Abaqus 中模拟激光焊接涉及几个关键步骤：

模型设置

• 创建要焊接的组件（例如，板或管道）的 3D 模型。

• 使用适当的元素类型进行热分析，例如 DC3D8（8 节点线性传热砖元素）。

• 确保网格足够细，以便准确捕捉焊接区域附近的热梯度，同时又足够粗，以控制计算时间。例如，在熔池附近使用更细的网格对于捕捉陡峭的热梯度至关重要，而对于较远的区域，可以使用更粗的网格来优化计算效率。

材料特性

• 密度

• 热导率

• 比热

• 热膨胀

• 弹性特性

• 塑料特性

• 定义工件材料（例如不锈钢或钛）的温度相关材料特性。

• 主要属性包括：

• 这些特性对于加热和冷却阶段的准确热和结构分析至关重要。

• 示例：对于不锈钢（SA240），可以使用 Excel 文件或直接在 Abaqus 中将属性作为温度函数输入，确保模型反映不同温度下的真实材料行为。

热源定义

• 高斯分布：表示钟形热分布，适用于表面加热。

• 圆柱卷绕法线 (CIN)：考虑深度的体积热输入，通常用于深熔焊接。

• 使用 DFLUX 子程序定义代表激光束的非均匀热通量。

• 激光焊接常见的热源模型包括：

• 高斯激光束的热通量方程可以表示为：

这里：

• （Q）是总热输入（激光功率），

• r_b是光束半径，

• (f(z,t))考虑了深度和时间依赖性。

• 在 Abaqus 中，这是通过 DFLUX 子程序实现的，它允许用户将自定义热通量分布定义为位置和时间的函数。

焊接路径和速度

• 对于线性路径：使用 mm/s。

• 对于圆形路径：使用以下方法将线速度转换为弧度/秒

• 定义激光束的路径（例如，对于平板为线性路径，对于管道为圆形路径）。

• 指定焊接速度：

边界条件

• 对流：使用薄膜条件来模拟环境热量损失。

• 辐射：可选，以实现更精确的热传递，尤其是在高温下。

• 应用热边界条件：

• 如果进行耦合热机械分析，则应用机械边界条件（例如，固定支撑以防止刚体运动），确保真实地模拟结构行为。

分析步骤

• 焊接过程：模拟激光束产生的加热（例如，绕管道一圈需要 6.283 秒）。

• 冷却过程：模拟冷却至室温（例如，1000 秒），捕捉残余应力的发展。

• 设置耦合温度-位移步骤：

• 确保时间增量足够小，以捕捉焊接过程中的快速热变化，对于激光工艺通常以毫秒为单位。

运行模拟

• 根据模型的复杂程度，在 Abaqus/Standard 或 Abaqus/Explicit 中执行模拟。Abaqus/Standard 通常用于静态和准静态分析，而 Abaqus/Explicit 则适用于动态效应分析。

• 监控收敛问题，并在必要时调整网格或时间增量，以确保稳定性和准确性。

后期处理

• 焊接过程中的温度分布，通过等值线图可视化。

• 焊接后的应力场和变形对于评估结构完整性至关重要。

• 冷却后残余应力会影响长期性能。

• 分析结果：

• 使用历史输出来跟踪温度和应力随时间的变化，有助于参数优化。

• 根据实验数据验证模拟结果的准确性，将焊道几何形状、热分布或残余应力与物理测试进行比较。

• 通格创智是达索授权Abaqus正版软件代理商，如需采购Abaqus，可来电联系我们：400-112-8028