铝板焊接过程中温度场的有限元模拟

铝制结构广泛应用于车辆、航空等多个领域，焊接技术在铝制品应用过程中发挥着重要作用，准确预测铝制品在焊接过程中温度场分布和变化规律，对焊接理论以及工程实际具有重要的指导意义。本文基于COMSOL软件，模拟了300 mm * 150 mm * 8 mm的I型坡口的铝板焊件的焊接过程，主要讨论高斯热源、双椭球热源和组合热源模型下，焊接温度场分布和变化规律。研究发现，随着热源模型的改进，焊缝区域的温度场逐渐增大；在双椭球热源模型下，随着形状参数的增大，研究区域内的温度逐渐减小；在组合热源模型下，随着焊接参数的增大，焊缝区域内的温度场逐渐减小。本文得出的结论对焊接工艺的改进具有指导意义。

由于铝具有良好的抗氧化性， 且有良好的延展性以及质量轻的特点， 广泛地应用于车辆、容器制造、航空等诸多领域，其中包括铝的焊接技术。然而由于自身的材料属性对铝的焊接方式有特殊的要求[1]， 随着生产制造中铝产品的结构变化以及需求的增大，铝材的焊接技术也逐渐得到优化。常见的铝焊接方法有电阻焊、摩擦焊、气保焊、激光焊等，主要原理是集中的高温热源在焊缝区域形成熔池，等到冷却后凝固焊接成型。

然而不同的焊接工艺会对材料的焊接质量产生影响， 因此研究铝材焊接的热力学性能， 了解铝材焊接过程中温度场和应力场在不同物理参数下的变化，在实际应用问题中，对保证焊接质量具有重要的指导意义。焊接会导致材料在焊缝区域发生熔化凝固，在热影响区域会产生组织变形等现象， 当受到外在约束后，会产生应力，即热应力。所以研究焊件的应力场之前先要研究材料的温度场变化。

由于焊接的传热是瞬态非线性问题，所以比较复杂，冀伟等人[2]采用数值模拟计算了薄板焊接准稳态热传导问题的线性分析，后期验证发现他们引入的热焓和表面双椭球热源模型大大提高了模拟的准确度。

随着现代科学技术的提高，国内外广大学者，将焊接从二维推向三维。庄其仁研究激光焊接的温度场， 根据激光波长和金属表面穿透金属表面的直接穿透原理，导出了以高斯热源为模型的三维解析式[3]。随后蔡志鹏以高斯热源模型先后提出分段移动热源模型和串热源模型，对于串热源模型，只需要说明节点上的输入功率和输入时间，这摆脱了节点所在面的形状的约束[4] [5]。王能庆等人[6]基于双椭球热源模型建立了焊接三维温度场有限元分析模型，同时修正了模型参数，使得计算更加精确简便。程久欢等人[7]对焊接热源进行了综述性报道，分析了不同热源模型的特点及其优缺点。姚相林等人[8]采用生死单元法模拟了焊接热源的移动和材料的填充，分析了焊接过程中的温度场和应力场。李陈峰等人[9]采用双椭球热源模拟热输入，并通过生死单元法模拟焊料填充，较精确地模拟了铝合金焊接过程的温度场和应力场。周文静等人[10]应用COMSOL 建立了铝合金搅拌摩擦焊的有限元模型，分析了焊速、转速变化对温度场影响。然而在焊接过程中热源的选取，是准确预测温度场的前提，因此本文基于热传导理论，采用有限元方法对300 mm * 150 mm * 8 mm 的铝板进行焊接过程模拟， 分析不同热源模型下焊件的温度场分布规律，并考虑了热源参数对温度场分布的影响，为焊接工艺的优化提供指导价值。