技術文章 2025-07-04
激光焊接是一種精密連接技術，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 (HAZ) 最小而著稱，這使其成為現代制造業的基石。由于其效率高且易于自動化系統應用，該工藝廣泛應用于汽車、航空航天、電子和醫療器械制造等領域。使用領先的有限元分析 (FEA) 軟件 Abaqus 模擬激光焊接，工程師能夠預測溫度分布、應力場、變形和殘余應力等結果，從而優化設計而無需物理原型。本文探討了 Abaqus 中的模擬過程、理論基礎和實際應用，為 工程師和研究人員提供參考。
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，焊接精度極高。它能夠形成牢固、清潔且變形極小的焊縫，廣泛應用于汽車和航空航天等行業。該工藝以其高效而聞名，是小規模精密加工和大規模生產的理想選擇。
激光焊接包含多種模式，每種模式都針對特定的應用：
連續波 (CW) 激光焊接： 這種方法采用穩定的激光束，適用于深熔焊接。它通常用于大批量應用，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： 該技術的特點是脈沖長度為毫秒，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，從而提高焊接質量，但可能會在鋁合金等合金中引發熱裂紋，因此需要謹慎選擇參數。
激光混合焊接： 這種方法將激光束焊接與電弧焊（例如氣體保護金屬極電弧焊 (GMAW)）相結合。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，非常適合用于復雜的組件。
遠程激光束焊接： 在該技術中，激光束通過激光掃描儀沿焊縫移動，機械臂不跟隨焊縫移動。該技術速度更快、精度更高，尤其適用于處理復雜的幾何形狀，在現代自動化生產線中越來越受歡迎。
激光焊接具有顯著的優勢，增強了其在各個行業的應用：
高精度：聚焦激光束可實現窄而深的焊接，確保接頭清潔、準確，這對于精密工程應用至關重要。
最小熱影響區 (HAZ)：集中的能量可最大限度地減少熱變形，保持基材的機械性能，這對于精密或熱敏感的組件至關重要。
多功能性：它可以焊接多種材料，包括碳鋼、高強度低合金 (HSLA) 鋼、不銹鋼、鋁和鈦，并且能夠連接不同的金屬，擴大設計可能性。
焊接速度高：促進快速生產率，提高制造環境的吞吐量。
減少變形：與電弧焊等傳統方法相比，較低的熱應力可減少翹曲，確保尺寸穩定性。
自動化友好：可輕松集成到機器人系統中，支持一致的大批量生產，提高效率并降低勞動力成本。
無需 X 射線或真空：與電子束焊接不同，它在露天操作不會產生有害輻射，從而提高了安全性和可達性 。
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-比奧方程的熱傳導模型有助于預測溫度分布，而多物理場模型則可以解釋流體流動和相變。這些問題通常使用有限元法 (FEM) 軟件進行求解，高斯或雙橢球等熱源模型可以提高精度。
在 Abaqus 中模擬激光焊接需要建立一個具有溫度相關材料屬性（例如熱導率和比熱容）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、應力和變形，從而有助于優化焊接參數。
預測分析：了解工藝參數（例如激光功率、光束半徑、焊接速度）如何影響焊接質量。
優化：確定最佳參數，以最大限度地減少變形和殘余應力，同時確保焊接牢固。
節省成本和時間：通過虛擬驗證設計減少對物理原型的依賴。
復雜幾何形狀：模擬難以通過實驗測試的復雜形狀和材料的焊接。
Abaqus 特別適合這項任務，因為它具有強大的耦合熱機分析能力和 DFLUX 等用戶定義子程序，這對于焊接模擬中的熱源建模至關重要。
根據行業標準實踐，在 Abaqus 中模擬激光焊接涉及幾個關鍵步驟：
模型設置
創建要焊接的組件（例如，板或管道）的 3D 模型。
使用適當的元素類型進行熱分析，例如 DC3D8（8 節點線性傳熱磚元素）。
確保網格足夠細，以便準確捕捉焊接區域附近的熱梯度，同時又足夠粗，以控制計算時間。例如，在熔池附近使用更細的網格對于捕捉陡峭的熱梯度至關重要，而對于較遠的區域，可以使用更粗的網格來優化計算效率。
材料特性
密度
熱導率
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確熱和結構分析至關重要。
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輸入，確保模型反映不同溫度下的真實材料行為。
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），
(f(z,t))考慮了深度和時間依賴性。
在 Abaqus 中，這是通過 DFLUX 子程序實現的，它允許用戶將自定義熱通量分布定義為位置和時間的函數。
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境熱量損失。
輻射：可選，以實現更精確的熱傳遞，尤其是在高溫下。
應用熱邊界條件：
如果進行耦合熱機械分析，則應用機械邊界條件（例如，固定支撐以防止剛體運動），確保真實地模擬結構行為。
分析步驟
焊接過程：模擬激光束產生的加熱（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），捕捉殘余應力的發展。
設置耦合溫度-位移步驟：
確保時間增量足夠小，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。
運行模擬
根據模型的復雜程度，在 Abaqus/Standard 或 Abaqus/Explicit 中執行模擬。Abaqus/Standard 通常用于靜態和準靜態分析，而 Abaqus/Explicit 則適用于動態效應分析。
監控收斂問題，并在必要時調整網格或時間增量，以確保穩定性和準確性。
后期處理
焊接過程中的溫度分布，通過等值線圖可視化。
焊接后的應力場和變形對于評估結構完整性至關重要。
冷卻后殘余應力會影響長期性能。
分析結果：
使用歷史輸出來跟蹤溫度和應力隨時間的變化，有助于參數優化。
根據實驗數據驗證模擬結果的準確性，將焊道幾何形狀、熱分布或殘余應力與物理測試進行比較。
通格創智是達索授權Abaqus正版軟件代理商，如需采購Abaqus，可來電聯系我們：400-112-8028
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