摘要：由于激光焊接过程的复杂性，通常采用数值模拟技术对其进行研究，其中建立正确的热源模型是研究温度场和应力场的基础，但是对于304不锈钢薄板激光焊接来说，目前还没有很匹配的热源模型。本文采用激光焊接技术对1mm厚304不锈钢平板进行对接焊，利用Marc软件建立与实际焊缝相匹配的热源模型。首先，采用激光焊接方法进行实际焊接，观察焊缝的宏观形貌，测量焊缝的熔深和熔宽；根据焊缝的实际形貌，利用Marc 数值模拟技术和Fortran编程实现热源模型的建立，将模拟的焊缝尺寸和实际焊缝尺寸进行对比；改变参数，验证所建模型是否正确。
通过试验获得结论为：圆柱+圆柱形式的热源模型可以很好的模拟实际焊缝的形状，焊缝各形状参数的的误差都不超过0.07mm。
引言
不锈钢薄板因其光洁的表面、无磁性和耐腐蚀性等特点，广泛的应用于生物制药、医疗器械、航空航天和精密仪器制造等行业的焊接结构件中[1]。目前，不锈钢薄板的焊接方法有MAG、TIG及激光焊接[2‐4]。但是，采用前两种方法焊接时，焊缝宽且变形大，而激光焊接因其功率密度高、速度快、 焊缝窄及变形小的优点，更适于不锈钢薄板的焊接。
激光焊接是一个复杂的物理化学过程，人们对这些过程知之甚少。但是，对焊接温度场的研究 是焊接应力和变形分析的前提[1]，所以准确的测量焊接温度场是很重要的。所幸的是，随着计算机 模拟技术应用于焊接学科，为测量温度场提供了一个快捷有效的方法。目前，对于激光焊接不锈钢 温度场的数值模拟，国内外学者总结出了许多热源模型：Kwanwoo Kim和Jungkil Lee等人[5]设计了高斯锥形+高斯倒锥形组合热源模型，模拟出了不同焊接条件下Nd:YAG激光焊接 304 不锈钢时的温度 场，且模拟得到的焊缝各形状参数误差不超过0.132mm；Jazeel Rahman Chukkan和M.Vasudevan等
人[6]利用锥形、双椭球+锥形和锥形+圆柱三种热源模型模拟了不锈钢的焊缝形貌、温度场和应力场， 模拟得到的焊缝各形状参数误差都不超过0.082mm、0.13mm和0.02mm，并且发现锥形+圆柱的热 源模型模拟结果更加精确；史春园和顾国晨等人[7]建立了三维正锥形+三维倒锥形+半椭球的热源模 型，成功模拟出了不锈钢车体非熔透激光搭接焊时的热源，得到的焊缝各形状参数误差都不超过0.092mm；霍厚志[8]利用圆锥高斯体热源模型模拟出了不锈钢激光点焊、对接焊和波纹板曲线焊缝焊 接的温度场。
虽然，国内外学者总结出了许多不锈钢的焊接热源模型，但是对于304不锈钢薄板激光焊接来说，采用现有的模型并不能很好的模拟焊接热源，所以本文采用激光焊接技术对1mm厚304不锈钢 平板进行对接焊，利用Marc数值模拟技术和Fortran编程建立与实际焊缝形貌相匹配的热源模型，改变焊接参数，进一步验证所建模型的正确性。正确热源模型的建立将会为之后304不锈钢薄板激 光焊接的温度场、应力场以及变形分析打下坚实的基础，节省大量的人力物力。
1.试验材料及方法
采用半导体激光焊接设备7对两块尺寸为100×100×1mm的304不锈钢薄板进行对接焊，激光波长1.06μm，最大输出功率为500W。焊接过程采用工装夹具，防止焊接过程中薄板变形，选用氩气 作为保护气体。连续激光焊接的工艺参数参见表1，焊接工装夹具如图1所示。
在焊接接头处取10×10×1mm的试样，用水砂纸对试样粗磨，然后机械抛光，再用配制的王水腐蚀，利用金相显微镜8观察50倍焊缝的形貌并且拍照，如图2所示；利用Marc数值模拟软件，通过网格划分，添加材料性能参数，施加边界条件，添加热源模型等步骤，对实际焊接情况进行模拟，将模拟的焊缝尺寸和实际焊缝尺寸进行对比，改变焊接参数，验证所建模型是否正确。
2.有限元分析模型
2.1模型的建立及网格划分
结合304不锈钢薄板对接焊的结构特点，鉴于焊接部位的对称性，取其一半建立有限元模型，如图3所示。由于激光焊接能量很高，在网格划分时焊缝附近的网格尺寸较小，同时，为了减少计算成本，在距离焊缝较远处，网格尺寸逐渐变大，网格采用3次过渡，焊缝附近区域单元尺寸为0.2×0.2×0.25mm，过渡一次后网格单元尺寸变为0.4×0.4×0.25mm，第二次过渡后网格单元尺寸变为0.8×0.8×0.25mm，第三次过渡后网格单元尺寸变为1.6×1.6×0.25mm。计算模型的单元数为34400 个，节点数为 44425个，单元类型为HEX8。
2.3 热源模型
热源模型的选取与熔池的形状有很大的关系[9]，从图2可知，焊缝形状为钉状。根据焊缝形状，本文采用柱体热源+柱体热源的组合模式来进行数值模拟。高斯分布的柱体热源模型如图5所示，图中Q0为最大热流密度；为柱体热源的半径；Ze和Zi为上下表面的位置。柱体热源公式为：
式中：Qr为距柱体热源中轴线 r 处的热流密度；r0为柱体热源的半径；Q0为最大热流密度。
柱体热源+柱体热源的体热源组合模式的示意图如图6所示。其中，Ze、Zm 和 Zi 为上中下三个表面的位置；r1为上圆柱的半径；r2为下圆柱的半径。三维柱体热源的实质是一系列平面高斯热源沿板厚方向上的叠加，两个单体热源的功率分配为0.6:0.4。柱体热源+柱体热源的体热源组合的各项参数如表2所示。
3．结果分析及试验验证
图7左半部分为功率250W，速度1.6m/min，离焦量‐0.5mm时，采用柱体热源+柱体热源的体 热源组合的激光焊接温度场数值模拟结果。为了比较熔池形状，以材料熔点的等温线作为熔合界面。可以看出，在柱体热源+柱体热源的组合热源下，熔深大，形成了小孔形状，呈钉形。将数值模拟结果与实际焊缝进行对比，如图7所示，熔深和熔宽的量化对比结果如表3中第一组参数所示。为了验证模型的可靠性，改变激光焊接的功率、速度和离焦量，在表1第二组焊接参数的条件下进行了数值模拟和试验，试验结果和数值模拟结果见图8和表3第二组参数。通过对表3的数据分析可知， 数值模拟和试验得到的焊缝各形状参数误差都不超过 0.07mm。结合文献[5‐7]，表4为五种不锈钢激 光焊接热源模型的模拟误差。通过将圆柱+圆柱形式的热源模型的模拟误差与其他五种热源模型的模 拟误差对比发现，圆柱+圆柱形式的热源模型的模拟误差在可接受范围之内，且模拟的精确度仅次于 锥形+圆柱形式的热源模型的模拟结果。因此，圆柱+圆柱形式的热源模型可以很好的模拟实际焊缝的形状。
4． 结论
1)激光焊接1mm厚304不锈钢薄板时，焊接接头的熔池形状呈钉子形；
2)在三维柱体热源+三维柱体热源的组合模式下获得的熔池形状与试验结果拟合良好，焊缝各形状 参数的的误差都不超过0.07mm。
参考文献：
[1]张维哲. 304不锈钢薄板激光焊接技术研究[D]. 硕士学位论文. 大连理工大学. 2009:9‐10. [2]丁成钢, 史春元, 杨蔚. SUS304 不锈钢 MAG 焊接头组织与性能[J]. 焊接, 2009, 35(15):19‐20.
[3]Ahmet Durgutlu. Experimental investigation of the effect of hydrogen in argon as a shielding gas on TIG welding of austenitic stainless steel[J]. Materials and Design, 2004, 25:19‐23.
[4]李艳丽, 胡芳友, 刘洪军等. 1Cr18Ni9Ti 激光焊接接头的结构与性能[J]. 中国激光, 2006, 33(Suppl):450‐452.
[5]Kwanwoo Kim, Jungkil Lee and Haeyong Cho. Analysis of pulsed Nd:YAG laser welding of AISI 304 steel[J]. Journal of Mechanical Science and Technology. 2010, 24(11):2253‐2259.
[6]Jazeel Rahman Chukkan, M.Vasudevan, S. Muthukumaran, et al. Simulation of laser butt welding of AISI 316Lstainless steel sheet using various heat sources and experimental validation[J]. Journal of Materials Processing Technology. 2015, 219:48‐59.
[7]史春园, 顾国晨和王洪潇等. 不锈钢车体非熔透激光搭接焊热源模型[J]. 焊接学报. 2011, 32(5):85‐88.
[8]霍厚志. 激光深熔焊过程仿真技术研究[D]. 硕士学位论文. 太原科技大学. 2012.
[9]卢宇峰. 全熔透激光焊热源数值模拟及参数研究. 硕士学位论文. 上海交通大学. 2012.
