李建龍 鐘恩松

鋁合金激光焊溫度場(chǎng)計(jì)算及測(cè)試

李建龍 鐘恩松

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州451460)

根據(jù)二維瞬態(tài)溫度場(chǎng)模型，針對(duì)鋁合金激光焊得出溫度梯度解析式。對(duì)激光焊接工藝參數(shù)峰值功率、焊接速度、離焦量三因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，得出最佳工藝參數(shù)。在最佳工藝參數(shù)條件下，采用Matlab公式，計(jì)算出溫度梯度曲線。結(jié)果表明，隨著與焊縫中心距離的增大，瞬態(tài)溫度逐漸降低。采用溫敏試紙對(duì)焊縫周圍進(jìn)行溫度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致。

激光焊 溫度場(chǎng)計(jì)算 溫度測(cè)試

0 序 言

鋁合金由于密度低、比強(qiáng)度高、斷裂韌性好、成形工藝性和耐蝕性良好等特點(diǎn)［1－3］，成為航空航天工業(yè)、汽車行業(yè)、電子、五金及造船等行業(yè)中使用最為廣泛的材料。按照內(nèi)部合金成分，鋁合金分為很多系列，每個(gè)系列的焊接效果均存在較大差異，用于鋁合金的焊接方法有電阻焊、摩擦攪拌焊、氬弧焊及激光焊等［4－6］。其中，激光焊由于熱源集中、熱影響范圍小、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，非常適合鋁合金焊接生產(chǎn)［7－10］。目前，激光用于鋁合金的焊接主要有飛機(jī)機(jī)翼的焊接、汽車動(dòng)力電池鋁合金殼體的焊接、鋁合金汽車車身的焊接等［11－13］。

鋁合金應(yīng)用在高速列車上的車體結(jié)構(gòu)中，可以使得車體整體重量減輕，降低能耗。早在2001年，長(zhǎng)春客車廠就建成國內(nèi)第一條鋁合金車體自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線。輕量化是鐵路動(dòng)車發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，到目前，鋁合金在高速動(dòng)車上的應(yīng)用越來越多，在鋁合金動(dòng)車車體上，型材約占車體總量的70%、板材約占27%、鑄鍛件約占 3%左右［14－15］。

鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件一般配合不能耐高溫的部件使用，如電子傳感器或者塑料等。電子傳感器或者塑料部件一般對(duì)溫度非常敏感，在300℃以下即可發(fā)生性能上的改變，而鋁合金激光焊的熱影響無法避免，只能在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，將傳感器或者塑料部件與焊縫位置保持一定距離，這個(gè)距離目前沒有理論及實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，通過大量的生產(chǎn)探索費(fèi)時(shí)費(fèi)力，延長(zhǎng)了產(chǎn)品的開發(fā)周期。因此，該種工況下對(duì)鋁合金激光焊接過程的溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)十分重要。文中計(jì)算鋁合金激光焊接過程的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布，并通過溫敏試紙對(duì)焊縫周圍進(jìn)行溫度測(cè)試。

1 鋁合金焊溫度場(chǎng)計(jì)算及測(cè)試

1．1 鋁的激光焊溫度場(chǎng)計(jì)算模型

激光焊是通過激光束對(duì)材料進(jìn)行快速加熱，使其熔化形成熔池，然后熔池內(nèi)部耦合，當(dāng)激光束離開后，熔池冷卻凝固形成焊縫，焊接過程包含冶金、力學(xué)、熱力學(xué)等機(jī)理。文中從激光焊接鋁合金的熱力學(xué)方面研究，對(duì)與焊縫速度成法線方向的焊縫周圍進(jìn)行溫度場(chǎng)分布分析，激光焊接鋁合金示意圖如圖1所示。

圖1 激光焊接鋁合金示意圖

激光焊接中，高溫等離子體可以認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)狀熱源，對(duì)應(yīng)于焊縫頂部的半圓區(qū)域，其余的能量由小孔壁以及等離子體蒸氣柱吸收，這種加熱模式看做為熱線模型。假定材料熱物理特性與溫度無關(guān)，由疊加原理可將點(diǎn)熱源和線熱源各自的溫度場(chǎng)解析表達(dá)式直接相加得到工件的溫度場(chǎng)計(jì)算式，即某點(diǎn)的溫度等于各熱源對(duì)該點(diǎn)產(chǎn)生的溫度總和。因此對(duì)于激光焊接條件下的點(diǎn)－線雙熱源模型，根據(jù)二維瞬態(tài)溫度場(chǎng)的解析式，可知作用于表面點(diǎn)熱源的溫度為:

作用于表面線熱源的溫度為:

焊接工件上某點(diǎn)的溫度是點(diǎn)熱源與線熱源對(duì)該點(diǎn)共同作用的結(jié)果，該點(diǎn)的溫度為兩者的疊加:

激光器輸出的聚焦激光光斑的功率密度分布近似為高斯分布，高斯功率密度分布為:

式中，κ為熱流集中程度系數(shù)，分別取1和2;ra為熱流分布的特征半徑;p為入射激光功率;t為時(shí)間;v為工作速度;h為板厚;c為材料的比熱容;κ為材料的導(dǎo)熱系數(shù);λ為熱傳導(dǎo)系數(shù);t為激光作用時(shí)間。文中重點(diǎn)研究焊縫速度法線方向上的溫度分布，即設(shè)x為0。

1．2 工藝正交試驗(yàn)

采用光纖激光器對(duì)4系鋁合金(4046鋁合金)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，試件規(guī)格為100 mm×50 mm，厚度為0．5 mm。對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到板材焊透且無明顯缺陷的效果。影響焊接效果最主要的工藝參數(shù)為激光功率、焊接速度及離焦量(激光聚焦焦點(diǎn)與工件表面的距離)，對(duì)這三因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，并且保持其他因素不變。焊接結(jié)果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為焊透即鋁合金板材背面有痕跡，外觀無明顯缺陷。正交試驗(yàn)方案及結(jié)果見表1。結(jié)果表明當(dāng)激光功率為400 W，焊接速度為20 mm/s，離焦量為2 mm時(shí)，得到焊透的焊縫，并且焊縫表面無缺陷，即該組參數(shù)為最佳工藝參數(shù)。

表1 工藝正交試驗(yàn)

2 鋁的激光焊接溫度場(chǎng)計(jì)算

2．1 溫度場(chǎng)公式計(jì)算

根據(jù)公式(1～4)，激光焊的溫度分布主要與激光功率及焊接速度有關(guān)。采用最佳工藝參數(shù)，即激光功率400 W，焊接速度20 mm/s，通過Matlab編程計(jì)算，得出溫度分布曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，在距離焊縫近的區(qū)域，溫度下降得非?？?離焊縫遠(yuǎn)的區(qū)域，溫度下降得非常緩慢。

2．2 實(shí)際溫度測(cè)試

圖2 溫度分布圖

將測(cè)溫試紙貼在焊縫邊上，與焊縫中心位置的距離分別為1．0 mm，1．5 mm及2 mm，如圖3所示。測(cè)溫試紙品牌為thermax，型號(hào)為感溫貼片，規(guī)格為25 mm×15 mm×1 mm，然后進(jìn)行激光焊試驗(yàn)，當(dāng)溫度試紙變色，對(duì)應(yīng)的溫度示數(shù)即為工件表面的溫度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，與焊縫中心距離為1．0 mm，1．5 mm 及2 mm，對(duì)應(yīng)的溫度分別為260℃，200℃和150℃，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與二維瞬態(tài)溫度場(chǎng)公式計(jì)算得到的結(jié)果基本一致。

圖3 測(cè)溫試紙測(cè)試溫度

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)二維瞬態(tài)溫度場(chǎng)的解析式及激光功率密度高斯分布公式，得到焊縫速度法線方向上的溫度分布。

(2)對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，得到最佳工藝參數(shù)，即激光功率400 W，焊接速度20 mm/s，離焦量2 mm，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算出溫度梯度分布。通過溫度試紙進(jìn)行溫度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與計(jì)算得到的結(jié)果基本一致。

［1］ 付邦龍，孟祥萌，秦國梁，等．鋁合金激光焊接技術(shù)的研究進(jìn)展［J］．焊接，2013(6):20－25．

［2］ 張智慧，董世運(yùn)，王玉江，等．7A52鋁合金光纖激光焊接接頭組織與性能研究［J］．應(yīng)用激光，2014(6):567－571．

［3］ 朱寶華，胡學(xué)安，江柏霖．光纖激光器在鋁及鋁合金焊接中的應(yīng)用［J］．熱加工工藝，2014(15):215－218．

［4］ 許 飛，李曉延，楊 璟，等．5A06鋁合金激光填絲焊工藝研究［J］．焊接，2008(8):26－28．

［5］ 王 偉，黃 堅(jiān)，趙耀邦，等．2A14鋁合金光纖激光填絲焊熱裂紋敏感性研究［J］．焊接，2015(4):27－30．

［6］ 郭亮亮，姚 曼，尹和壁，等．聯(lián)鑄圓胚結(jié)晶器的熱流計(jì)算與討論［J］．金屬學(xué)報(bào)，2006，42(9):983 －988．

［7］ 李俊昌．激光的衍射作用計(jì)熱作用計(jì)算［M］．北京:科學(xué)出版社，2003．

［8］ 周世杰，李云濤，宋繼順，等．激光焊接熱源和焊速對(duì)溫度場(chǎng)影響的數(shù)值模擬［J］．電焊機(jī)，2014，44(10):85－88．

［9］ 丁 林，蔣紅云．激光焊接不銹鋼的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬［J］．安陽工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，11(4):19 －21．

［10］ 韓國明，李建強(qiáng)，閆青亮．不銹鋼激光焊溫度場(chǎng)的建模與仿真［J］．焊接學(xué)報(bào)，2006，27(3):105 －108．

［11］ 褚慶臣，何秀麗，虞 鋼．不銹鋼激光搭接焊接頭溫度場(chǎng)數(shù)值模擬及分析［J］．中國激光，2010，37(12):3180－3186．

［12］ Mackwood A P，Crafer R C．Thermal modelling of laser welding and related processes:a literature review［J］．Optics ＆Laser Technology，2005，37(2):99 －115．

［13］ Lambrakos S G，Shabaev A，Huang L．Inverse thermal analysis of a titanium laser weld using multiple constraint conditions［J］．Journal of Materials Engineering ＆ Performance，2014，23(6):2233 －2240．

［14］ 王 貴，陳根余，伍 強(qiáng)，等．鍍鋅高強(qiáng)鋼激光深熔焊接溫度研究［J］．機(jī)械制造，2007，45(512):43 －44．

［15］ 于百川，程石來，滕華新．阻礙鋁合金車體焊接工藝提升的問題探討［J］．熱加工工藝，2014(13):210－212．

［16］ 唐海鷹，程石來，張永杰，等．鋁合金打磨與不打磨工藝接頭性能的對(duì)比研究［J］．焊接，2013(8):51－54．

TG454．7

2017－02－07

李建龍，1982年出生，碩士，講師。主要研究方向?yàn)閭鲃?dòng)系統(tǒng)控制。