华中科技大学硕士学位论文薄壁铝合金件激光焊接过程模拟仿真与分析研究姓名：郑侃申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：王书亭20090522华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘摘 要要 激光焊接技术是一种高精度、高效、高可靠性的结构连接技术，在工业生产中起着举足轻重的作用。特别是薄壁铝合金件的焊接，其广泛应用于航空航天、汽车及军工领域。激光焊接是一个涉及传热、冶金、力学等复杂的物理化学过程。单凭积累工艺试验数据来控制激光焊接过程，既不切合实际又成本昂贵。随着计算机技术及有限元技术的发展， 采用激光焊接数值模拟技术对焊接整个过程进行仿真， 对激光工艺参数进行控制，成为一种有力的手段。 本文基于薄壁铝合金件激光焊接过程模拟仿真的需求， 提出了用有限元建模仿真分析方法进行解决的技术方案。同时，为了结构的优化设计，本文深入研究了移动热源加载， 温度场及应力场模拟分析等关键问题。 最后本文通过不同激光焊接参数的分析比较，提出优化方法，最终实现焊接质量的提高。具体工作展开如下： 首先，本文对激光焊接的基本原理及其应用进行阐述，对国内外激光焊接数值模拟研究现状和发展趋势进行深入分析和研究。同时，在充分考虑薄壁铝合金件的特性及激光焊接热源的特点的基础上，提出了具体实现的仿真方案。 其次， 本文采用 “建模移动热源加载温度场分析应力场分析工艺参数控制”的研究思路。在建模仿真时，本文运用了有限元分析软件，应用了非线性瞬态热分析理论及热-结构耦合分析的方法。在热源加载时，本文采用 APDL 语言进行循环加载。本文通过铝合金平板及圆柱板的应用实例， 对焊接温度场及应力应变场的分布情况进行了分析，为复杂焊接结构进行三维焊接温度场、应力的分析提供了理论依据和指导，促进了有限元分析技术在焊接力学分析以及工程中的应用。 最后，本文通过改变激光功率、焊接速度及激光光斑直径等工艺参数，分析各参数对焊接温度场的影响，提出了优化焊接工艺的方法。该工作为改善激光焊接的质量，预测试验结果，减少试验的工作量提供了必要的帮助和指导。 关键词：薄壁铝合金件 激光焊接 数值模拟仿真 工艺参数控制 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract Laser welding technology is structure connection technique which has features of high accuracy, high efficiency and high reliability and plays an essential role in industrial production. Especially in domain of automobile, aviation and astronautics, laser welding of thin-walled aluminum alloy sheet is widely adopted which has a great influence on the performance of entire component. Laser welding involved in thermal conductivity, metallurgy, mechanics and so forth. So it is impractical and expensive to study the process of laser welding only using technical data. With the development of computer science and finite element technology, numerical simulation technology becomes effective method which can simulate the whole process of laser welding and optimize technical parameters. As the numerical simulation of laser welding on thin-walled aluminum alloy sheet require, the finite-element-mode is adopted. In order to optimize the structure, crucial issues such as motional heat source loading and analytical simulation of temperature field and stress field are investigated thoroughly. Through the comparison of the results of quantitative parametric simulations, an optimized technique that can enhance the quality of welding is proposed. First of all, the thesis presents the fundamental theory and application of laser welding. And the thesis describes development of study on numerical simulation of laser welding at home and abroad. Then according to the characteristic of thin-walled aluminum alloy sheet and fast motion of the thermal resource of laser welding, we propose an available method of simulation. Secondly, the main idea the study adopted is“modelingloadinganalyzing temperature fieldanalyzing stress fieldoptimizing technical parameters”. The nonlinear transient analysis and the finite element method of thermal-structural coupling are utilized to simulate laser welding on thin-walled aluminum alloy sheet. Moreover, the motional thermal resource is loaded using ANSYS Parametric Design Language(APDL). The numerical simulations of laser welding on thin-walled aluminum alloy sheet and on cylindrical sheet are taken as examples to illustrate their thermal and stress distribution field, which provide theoretical basis and guide of complicated analysis of 3D thermal and stress field on laser 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIIwelding. Consequently, it promotes the application of finite-element-mode in analysis of stress field on welding. Finally, in order to propose the optimal technique that can improve the quality and reduce the number of experiment required in practical production, a quantitative parametric analysis of the thermal dependence on the power of laser, the speed of welding and diameter of laser spot was performed by finite-element-model numerical simulation. Keywords: thin-walled aluminum alloy sheet, laser welding, numerical simulation, control of technical parameters 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪绪 论论 1.1 课题研究目的及意义课题研究目的及意义 本课题来源于华中科技大学机械科学与工程学院数字制造装备与技术国家重点实验室承担的“复杂拼缝高能束流焊接控制规律的研究”的科研项目。 本课题的研究目的：由于薄壁铝合金焊接构件薄、跨度大、易变形，对激光输入的热敏感程度高。激光功率、离焦量、速度、激光光斑直径、气体种类等工艺参数都影响激光的热输入，进而影响焊接质量和效果。为了预测温度梯度、凝固速率在某个确定温度上的时间、应力的变化，描述焊接应力的发展过程和残余应力的大小，描述各参数对焊接的影响，需要对薄壁铝合金件的激光焊接过程进行模拟仿真。 该课题研究意义在于为复杂焊接结构进行三维焊接温度场、 应力的分析提供了理论依据和指导，促进了有限元分析技术在焊接力学分析以及工程中的应用。为优化焊接结构设计和工艺设计，改善激光焊接的质量，预测试验结果，减少试验的工作量提供了必要的帮助和指导。 1.2 激光焊接基本原理及的应用激光焊接基本原理及的应用 1.2.1 激光焊接基本原理激光焊接基本原理 焊接技术是工业生产中重要的连接技术。 近年来， 随着焊接技术朝着高速、 高精度、高可靠性的不断发展，激光焊接这一新兴的焊接技术逐步在工业生产中得到广泛应用。激光焊接技术就是以激光为加热热源对结构件进行焊接。激光光束是