1.1研究目的

通过对激光-电弧复合焊接基本原理的了解，建立高强钢激光-电弧复合焊接温度场仿真有限元模型，对焊接过程温度场进行分析研究，在温度场的基础上建立应力场有限元模型，分析激光-电弧复合焊接的单道焊、双道焊应力场。对高强钢复合焊接温度场和应力场进行数值模拟分析可帮助改善焊接工艺，提高焊接质量，降低复合焊接工艺参数优化的成本。

1.2研究意义

激光-电弧复合焊接是将两种物理性质和能量传输机制截然不同的热源有机结合在一起，同时作用于同一加工位置，充分发挥两种热源各自的优势，又相互弥补各自的不足，具有“1 1gt;2”的效果，具有比单独激光和单独电弧焊接相加之和更为优异的效果。电弧焊的主要优点是桥接能力好，但能量密度低，因此焊接效率较低，相比于电弧焊，激光焊的优势是焊接速度快，熔深以及焊缝深宽比大，缺点是桥接能力差。而激光-电弧复合焊接在焊接速度和焊接质量两方面的表现都很好，是一种全新高效的焊接工艺，在近年得到快速发展，应用前景十分广阔。

为了改善焊接工艺，提高焊接质量，需要对工艺参数进行优化，然而激光-电弧复合焊接除了单激光焊接和单电弧焊的工艺参数外，还有光丝间距、电弧与激光相对位置等工艺参数，相对于单种焊接工艺，复合焊接的工艺优化更加复杂，如果仅采用传统的实验方法对参数进行优化将需要高昂的成本。随着现代科学技术的发展，数值模拟技术越来越成熟，采用数值仿真技术对焊接中的热过程和残余应力变形进行预测是一种简单高效的研究办法，这样将大大节约人力、物力和时间。通过数值模拟可得到焊后残余应力与变形，这些结果能够被直观地观察到，可以应用于直接指导生产实践，例如根据分析结果可制定相应的热处理工艺以改善工件性能。因此，开展高强钢激光-电弧复合焊接数值模拟，研究适于高强钢激光-电弧复合焊仿真的热源，焊接过程中的温度场及应力场变化以及焊后的残余应力及变形，对提高工件质量具有重要意义。

1.3复合焊接国内外研究现状

针对单激光焊和单电弧焊过程中存在的问题，英国伦敦帝国大学Steen等人在20世纪70年代末首次提出了激光焊与TIG焊复合的焊接方法，引起人们的广泛关注，他们发现激光对电弧起到稳定、吸引和约束的作用，而同时电弧的热作用可以提高工件对激光的吸收率，复合焊接相比单独热源焊接具有明显优势。但由于受到激光器发展水平的限制，无法大规模应用于实践，对于激光-电弧复合焊没有进行更深入的研究及应用。直到1988年，Matsuda等人利用5kwCO₂激光、400A焊接电流实现了12mm厚的钢板在0.8m/min焊接速度下一次性焊透，激光-电弧复合焊的工艺优势才逐渐体现出来。之后随着激光器的不断发展，各国相继展开复合焊接的研究，我国也于本世纪初展开该方面研究，目前已取得一定成果。

1.4焊接数值模拟国内外研究现状

焊接是一个涉及冶金、传热、力学等多个学科交叉的复杂过程，单纯采用理论方法很难准确解决生产实际问题。在焊接生产的实际研究中往往采用大量实验作为基本方法，但大量焊接实验必然增加生产成本，耗费大量时间。而通过焊接数值模拟方法可替代大量的实验工作，帮助焊接行业相关人员减少工作量，降低研发成本，具有重要的工程应用意义。1966年Wilson和Nickell首次把有限元法应用于固体热传导的分析计算中。70年代，有限元法才逐渐在焊接温度场的分析计算中使用。我国武传松等人在1988年建立了电弧在运动情况下三维TIG焊接熔池中流体传动和传热过程的数学模型，随后在1999年魏艳红等人将电弧当作是辐射状并成对称高斯分布的二维热流作用于工作表面，以此解决了电弧产热的问题。焊接数值模拟所使用的热源模型越来越准确，计算结果越来越接近实验结果。

2. 研究的基本内容与方案

1研究的基本内容