蘇艷芳,郭佳杰,王穎達,張大將,黃國欽

(華僑大學(xué)制造工程研究院,廈門 361021)

脈沖激光加熱參數(shù)對釬焊金剛石溫度場影響的仿真分析

蘇艷芳,郭佳杰,王穎達,張大將,黃國欽

(華僑大學(xué)制造工程研究院,廈門 361021)

采用ANSYS軟件對脈沖式激光釬焊金剛石溫度場進行仿真，采用脈動熱源加載，分析脈沖激光加熱下釬焊區(qū)溫度場的變化規(guī)律。結(jié)果表明，脈沖熱源加載下，加熱區(qū)溫度溫升曲線呈等周期脈動變化。采用穩(wěn)態(tài)最高溫度Tmax、最低溫度Tmin和溫度波動△T對溫升曲線進行量化和分析，結(jié)果表明，峰值功率、頻率和脈寬對Tmax和Tmin影響都是正指數(shù)效應(yīng)，且峰值功率對Tmax影響最大，頻率對Tmin影響最大。峰值功率和脈寬對△T的影響都是正指數(shù)效應(yīng)，且峰值功率對△T的影響比脈寬要大，而頻率對△T的影響是負指數(shù)效應(yīng)。

脈沖激光；釬焊；溫度場；有限元模擬分析

前 言[1-3]

激光釬焊金剛石工具的原理是以激光為熱源加熱釬料至熔化，使釬料中的活性元素與金剛石磨粒形成碳化物形式的界面連接，從而達到牢固把持磨粒的目的。激光加熱熱流密度大，升降溫迅速，準確控制釬焊過程中溫度場時空變化對釬焊質(zhì)量至關(guān)重要。激光加熱過程中溫度是隨著時間和空間的變化呈非穩(wěn)態(tài)變化的，要準確地測量出激光加工過程溫度變化在技術(shù)上實現(xiàn)極為困難，借助仿真模擬技術(shù)是當前的主要手段。

南京航天航空大學(xué)楊志波對連續(xù)型激光熱源進行了仿真分析，利用ANSYS有限元軟件，建立了以Ni-Cr合金為釬料的激光釬焊過程三維瞬態(tài)溫度場分析模型。在考慮了相變潛熱、對流和隨溫度變化的熱物性參數(shù)下，分析了溫度場的分布特征。關(guān)于脈沖型激光加熱過程仿真，已有文獻都是采用脈沖熱源等效轉(zhuǎn)變成連續(xù)型熱源進行加載的。本文以脈沖式激光釬焊金剛石的溫度場為對象，利用有限元軟件ANSYS進行仿真，采用脈沖式熱流加載，模擬激光加熱升、降溫過程中的溫度場分布規(guī)律，著重探索脈沖激光參數(shù)對溫度場和溫度變化的影響，以期為實際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 脈沖激光釬焊熱源模型

圖1為激光定點釬焊示意圖。激光從激光器發(fā)射后經(jīng)過聚焦透鏡聚焦后照射在金剛石和釬料層上，利用光能轉(zhuǎn)化為熱能將照射區(qū)加熱從而實現(xiàn)釬焊連接。

圖1 激光定點釬焊示意圖Fig.1 Diagram of laser spot brazing

受聚焦透鏡的影響，激光照射光斑區(qū)內(nèi)激光能量分布并不均勻，通常會用熱源模型分布表示。根據(jù)本文所用設(shè)備的透鏡特點，取熱源模型為高斯熱源模型(如圖2所示)，并可用式1表達如下[4]：

(1)

式中：R為有效加熱半徑；r為釬焊表面上任意點至激光加熱斑點中心的距離，η為釬焊熱效率，U為電弧電壓；I為焊接電流。

圖2 Gauss熱源模型Fig.2 Gauss heat source model

與連續(xù)激光相比，脈沖激光比較復(fù)雜，如圖3所示，其激光器輸出功率是呈周期性脈沖的，其中P0為脈沖峰值功率，T為脈沖周期(通常也用脈沖頻率f表示)，τ為脈沖脈寬。

圖3 脈沖功率波形圖Fig.3 Pulse power oscillogram

脈沖激光輸出平均功率與其輸入?yún)?shù)的關(guān)系如式2所示：

(2)

2 激光加熱釬焊過程傳熱的基本方程[5-7]

激光釬焊金剛石所用的金剛石磨粒尺寸遠比釬料層要小，且透過性和熱導(dǎo)率均很好,因此在模擬分析過程中完全可以忽略金剛石磨粒對溫度場的影響，故激光釬焊金剛石的熱傳導(dǎo)方程可寫成以下形式：

(3)

式(3)中：ρ為物料密度(kg/m3)；C為比熱(J/kg·℃)；T為溫度(℃)；t為時間(s)；Kx、Ky、Kz為各方向上的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·℃)。

對于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，定解條件有兩個方面，即給出初始時刻溫度分布的初始條件，以及給出導(dǎo)熱物體邊界溫度或換熱情況的邊界條件。導(dǎo)熱微分方程及其定解條件構(gòu)成了一個具體導(dǎo)熱問題的完整的數(shù)學(xué)描述，具體為：

1)給定物體初始條件：

2)給定物體邊界上的熱量輸入或輸出，稱為第二類邊界條件。

(4)

3)給定對流換熱條件，稱為第三類邊界條件。

(5)

其中h為換熱系數(shù)w/(m2·k);Ts是物體表面的溫度；Tf是介質(zhì)溫度。nx,ny,nz為邊界外法線的方向余弦。

4)激光釬焊過程中釬焊層表面向環(huán)境輻射熱，屬于第四類邊界條件，即給定輻射散熱條件

(6)

式中ε表示實際物體的有效輻射率，σ為斯蒂芬-玻爾滋蔓常數(shù)，約為5.67×10-8(W /m2·K4)，Tsur為空間環(huán)境溫度，Ts為物體表面的溫度。

在激光釬焊過程中，主要的邊界條件是：第二類邊界條件即熱流密度輸入，三類邊界條件即釬料層表面存在以保護氣體(氬氣)為介質(zhì)的對流散熱過程，第四類邊界條件即釬料層表面向環(huán)境輻射熱能。

3 激光釬焊溫度場的分析理論[8-9]

有限元法又稱有限單元法或有限元素法，基本思想是將求解區(qū)域離散為一組有限元，且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。離散化是有限元方法的基礎(chǔ)，離散后的單元與單元之間只通過節(jié)點相聯(lián)系，所有的載荷都通過節(jié)點計算。

有限元方法計算溫度場時，首先對空間域的離散，M個具有ne個節(jié)點的單元所離散，V內(nèi)共有N 個 節(jié)點，在每個單元內(nèi)各節(jié)點的溫度用單元節(jié)點溫度{T}e來表示，即：

式中，[N]為形函數(shù)，在每個單元內(nèi)對瞬態(tài)溫度場應(yīng)用加列金(Galerkin)法，由于[N]只是空間域的函數(shù)，故有：

(8)

4 激光釬焊金剛石溫度場有限元仿真模型

4.1 仿真模型建立與網(wǎng)格劃分

忽略金剛石影響的激光釬焊加熱模型可分為兩部分：釬料層和基體，上部分是釬料層(本文采用Ni-Cr粉末釬料層，厚度為0.2mm)；下部分是基體，其材質(zhì)為金屬基體(本文選45號鋼，直徑20mm×厚8mm的圓柱體)。為了便于計算，取四分之一模型進行建模。

在劃分網(wǎng)格時，靠近光斑照射區(qū)域的釬料層網(wǎng)格尺寸0.0001mm，基體網(wǎng)格劃分距離光斑越遠網(wǎng)格越大。網(wǎng)格劃分采用有限元軟件ANSYS中的八節(jié)點六面體solid70單元，得到的有限元模型如圖4所示。

圖4 激光釬焊模擬有限元模型Fig.4 Simulated finite element model of laser brazing

4.2 確定熱源模型及加載條件

在脈沖型激光加熱時，熱流密度是脈沖式周期變化的，需要用APDL語言編寫DO循環(huán)語程序，并設(shè)定一定的時長載入有限元軟件ANSYS中，通過循環(huán)加載方式實現(xiàn)。

4.3 初始條件與邊界條件的確定與材料物性參數(shù)

初始條件：當t=0時，工件與環(huán)境有相同的初始溫度，室溫正常選20℃。

邊界條件：物體外表面與周圍環(huán)境的熱交換，傳熱學(xué)中一般把它分為四類：1給定物體邊界上的溫度；2給定物體邊界上的熱量輸入或輸出；3給定對流熱交換條件；4給定輻射散熱條件。

上述四個邊界在激光釬焊中均存在。但是熱輻射影響和熱對流之間計算方法不同，因此采用修正系數(shù)β來消除兩者的計算差異，并用總的熱交換系數(shù)η來表示熱輻射和溫度對流的總影響。由于η是關(guān)于β的函數(shù)，所以邊界熱交換減少的熱量可以表示為q0=η(T-T0)。在計算過程中，釬料的表面與氬氣的對流換熱及熱輻射用總的換熱系數(shù)η來表示，取值如表1。本文所用激光加熱釬焊參數(shù)如表2所示。

表1 總換熱系數(shù)

表2 激光釬焊參數(shù)

5 結(jié)果及討論

5.1 初始規(guī)范組有限元模擬分析

本文采用表3為初始參數(shù)組，命名為初始規(guī)范組。在初始參數(shù)組的基礎(chǔ)上予以調(diào)動激光工藝參數(shù)進行模擬實驗。

表3 初始規(guī)范組參數(shù)

Table 3 Initial specification group parameters

激光峰值功率(W)1710頻率(HZ)30脈寬(ms)3

(1)溫度分布云圖

激光作用時間為1s，如圖5所示，給出了工件在最后一個脈沖幾個時間點的溫度場分布：t=0.966667s,t=0.969667s,t=1s。每個顏色代表一個溫度區(qū)間。

圖5 脈沖型熱源各時間點溫度場分布模擬圖Fig.5 Temperature field distribution simulation of pulse heat source at different time points

可以看出，脈沖熱流作用于工件時，光斑照射區(qū)溫度迅速上升然后又迅速下降。在一系列激光脈沖持續(xù)的加載時，最后一個脈沖脈寬結(jié)束后加熱區(qū)達到最高溫度，如圖5(b)所示，當t=0.969667s時達到最高溫度3207.69℃。

(2)中心點溫度隨加熱時間的變化趨勢

圖6是初始規(guī)范組的加熱中心點溫度隨加熱時間的變化曲線。從圖上可以看出，隨著脈沖熱源周期性加載，溫度呈明顯周期性波動。一個脈沖周期中，隨著熱源的加載，溫度極速上升到高溫，又隨著熱源的消失，由于熱傳導(dǎo)和熱對流的作用，溫度快速下降。

圖6 初始規(guī)范組中心點隨時間變化的溫度曲線圖Fig.6 Temperature curve of the center point of the initial specification group at different time points

5.2 激光脈沖參數(shù)對溫度場變化的影響

為了分析脈沖參數(shù)對溫度場的影響，表4參數(shù)進行模擬，其中A組參數(shù)為上節(jié)所提的初始規(guī)范參數(shù)；B～G組分別改變雙變量，但平均功率不變，其中B、C組脈寬不變，D、E組頻率不變，F(xiàn)、G組脈沖功率不變。B～G 六組仿真模擬結(jié)果：中心點隨時間變化的溫度曲線圖如圖7所示。

從仿真結(jié)果看出，C組和E組的穩(wěn)態(tài)峰值溫度較高，而溫度太高會導(dǎo)致熱損傷從而導(dǎo)致金剛石發(fā)生石墨化、破碎，所以C組和E組參數(shù)不符合激光釬焊所需的溫度變化，C組和E組溫度的峰值功率都較高，為2565W。相對應(yīng)的B組和D組的峰值功率都較低時為1140W，從仿真結(jié)果可以看出峰值溫度是最低的兩組。由此可以得出，峰值功率對溫度變化曲線的峰值溫度有很大的影響，要得到合適的釬焊溫度，要適當降低峰值功率。B組和D組參數(shù)中的峰值功率相同，B組頻率較高，D組脈寬較高，從仿真結(jié)果對比看出，B組溫度波動較??；F組和G組參數(shù)中的峰值功率都是1710W，F(xiàn)組脈寬較高，G組頻率較高，仿真結(jié)果對比，G組溫度波動較小。由此可見，頻率對溫度變化波動大小比脈寬更具有影響。釬焊過程中溫度的急熱急冷會導(dǎo)致釬料層產(chǎn)生裂紋，所以需要溫度波動越小越好，而要得到小的溫度波動，就要增大頻率。

表4 激光釬焊工藝參數(shù)組及仿真結(jié)果

圖7 中心點隨時間變化的溫度曲線圖Fig.7 Temperature curves of the center point at different time points

由于溫度高低和溫度波動對釬焊質(zhì)量影響很大，為了更能準確反映脈沖參數(shù)對溫度場的影響；穩(wěn)態(tài)最高溫度Tmax、穩(wěn)態(tài)最低溫度Tmin、溫度波動△T進行表征(如圖6所示，結(jié)果如表4所列)。為了分析脈沖參數(shù)對以上所敘三個指標影響，采用經(jīng)驗公式進行權(quán)重分析，結(jié)果如圖8～10和式9～10。

圖8 Tmax、Tmin、△T的回歸分析Fig.8 Regression analysis of Tmax, Tmin, and △

(9)

(10)

(11)

從式9～10的指數(shù)系數(shù)可以看出，峰值功率、頻率和脈寬對Tmax的影響都是正指數(shù)效應(yīng)，且峰值功率對Tmax影響最大。峰值功率、頻率和脈寬對Tmin的影響也都是正指數(shù)效應(yīng)，且頻率對Tmin影響最大。峰值功率和脈寬對△T的影響都是正指數(shù)效應(yīng)，且峰值功率對△T的影響比脈寬要大，而頻率對△T的影響則是負指數(shù)效應(yīng)。因此，在激光釬焊過程中，為了減少高熱沖擊引發(fā)金剛石發(fā)生石墨化和開裂等問題，要適當減小峰值功率和脈寬，增大脈沖頻率；為了減少溫度的急冷急熱導(dǎo)致釬焊層產(chǎn)生裂紋，所以需要溫度波動越小越好，要得到小的溫度波動，就要增大頻率。從仿真結(jié)果分析可得，要得到好的釬焊結(jié)果，釬焊過程中的峰值溫度要保持在一定的范圍內(nèi)，溫度的波動要盡可能的小，對于采用脈沖式激光加熱實現(xiàn)金剛石釬焊，要適當?shù)亟档头逯倒β剩龃竺}寬和脈沖頻率。

總 結(jié)

本文采用ANSYS軟件對脈沖式激光釬焊金剛石溫度場進行仿真，采用脈動熱源加載，分析脈沖激光加熱下釬焊區(qū)溫度場的變化規(guī)律。結(jié)果表明，脈沖熱源加載下，加熱區(qū)溫升曲線呈等周期脈動變化。采用穩(wěn)態(tài)最高溫度Tmax、最低溫度Tmin和溫度波動△T對溫升曲線進行量化和分析，結(jié)果表明，峰值功率、頻率和脈寬對Tmax和Tmin影響都是正指數(shù)效應(yīng)，且峰值功率對Tmax影響最大，頻率對Tmin影響最大。峰值功率和脈寬對△T的影響都是正指數(shù)效應(yīng)，且峰值功率對△T的影響比脈寬要大，而頻率對△T的影響則是負指數(shù)效應(yīng)。

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Simulation Analysis of the Influence of Pulsed Laser Heating Parameteron Temperature Field for Diamond Brazing

SU Yan-fang, GUO Jia-jie, WANG Ying-da, ZHANG Da-jiang, HUANG Guo-qin

(InstitutionofManufactureEngineering,HuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China)

Simulation of the temperature field for diamond pulsed laser brazing has been conducted by ANSYS software, and the varying pattern of the temperature field of the brazing area under pulsed laser heating has been analyzed through pulsating heat source loading. Result shows that the temperature rise curve of the heating area exhibits a periodic pulsation variation. The temperature rise curve has been quantified and analyzed through steady-state maximum temperature Tmax, minimum temperature Tmin, and temperature fluctuation△T. Result shows that the influence of the peak power, frequency and pulse width on the Tmax and Tmin is positive exponential effect, and the peak power has the greatest influence on Tmax, while the frequency has the greatest influence on Tmin. The the influence of the peak power and pulse width on △Tis positive exponential effect, and the peak power has greater influence on △Tthan the pulse width dose, while the influence of frequency on △Tis negative exponent effect.

pulsed laser; braze; temperature field; finite element simulation analysis.

2017-01-17

國家自然科學(xué)基金(51575198, 51235004)，華僑大學(xué)研究生科研創(chuàng)新能力培育計劃資助項目(1511303018)

蘇艷芳(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：高效精密加工。

黃國欽,E-mail:smarthgq@hqu.edu.cn

蘇艷芳,郭佳杰,王穎達,等.脈沖激光加熱參數(shù)對釬焊金剛石溫度場影響的仿真分析[J].超硬材料工程，2017，29(2)：22-27.

TQ164

A

1673-1433(2017)02-0022-06