维普资讯 http://www.cqvip.com 六 基于铝合金激光深熔焊接温度场研究 口钟荣华 口金湘中 湖南大学机械与汽车工程学院激光研究所长沙４１００８２ 摘要：采用透过玻璃在线拍摄铝舍金激光深熔焊接时小孔形状的方法，得到小孔形状的真实尺寸。随后建立铝和 玻璃异种材料激光焊接温度场的数学模型，运用数值模拟法分析了激光深熔焊接铝合金与玻璃的温度场分布，在编制 Ｍａｔｌａｂ程序计算时用已观测到的小孔半径数值为基础，保证了数值模拟结果的合理性与正确性，得到了不同材料焊接温度 场计算的一般方法。 关键词：激光焊接数值模拟铝合金温度场 中图分类号：Ｔｃ４５６．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—４９９８（２００７）０８—０００７—０４ 铝合金材料由于具有导电导热性好、质量轻、抗腐 ｌａｂ程序求得两种材料激光深熔焊接时的温度场分布。 蚀、易成型等优点，被广泛应用于航空航天和汽车制造 １ 试验装置与小孔形状的观测 业中。由于激光焊接铝合金是一个快速而不均匀的热 循环过程，焊缝附近出现很大的温度梯度，在焊缝中也 １．１ 试验装置 会出现不同程度的残余应力和变形，而且很容易产／４＝ 试验装置如图１所示，在试验中采用湖南大学激光 焊接气孔，这都成为影响焊接质量和使用性能的重要 研究所自行研制生产的新型激光器ＰＣＨ一１５００，机床为 因素 】。由于焊后焊缝的应力和变形的根本原因在于 济南铸造锻压机械研究所生产的ＬｓＫ一１２ Ｘ ２４５数控 焊接过程中不均匀的加热和冷却，因而对激光焊接温 精密激光切割机。 度场的研究是激光焊接应力和应变分析的前提。 在激光深熔焊接研究中如果能得到小孔的真实形 状，将会对激光深熔焊接机理的研究起到十分重要的 作用。首先在激光深熔焊接铝合金时透过ＧＧ１７玻璃 观测到小孑Ｌ形状（而玻璃只作为观测的媒介），以此作 为温度场数值模拟计算时小孔半径的数值，然后建立 数学模型并利用有限差分法将数值离散化，编制Ｍａｔ一 １．２观测装置及结果 －ｋ国家自然科学基金资助项目（编号 ５０５７５０７０） 试验材料的物性参数如表１所示，试验中的观测装 湖南省优秀博士论文资助项目 置如图２所示。 湖南省骨干青年教师资助项目 收稿日期：２００７年５月 在激光功率为１ ０００ Ｗ用不同的焊接速度进行试 展。本文为深入理解和应用ＳＴＥＰ—ＮＣ，为ＳＴＥＰ—ＮＣ集 业信息化，２００４，３３（３）． 成技术的研究提供了参考。ＳＴＥＰ—ＮＣ所蕴涵的制造思 ４ Ｔａｏ Ｙｕ，Ｔａｎ Ｌｉｕ，Ｓｈｕｚｈｅｎ Ｙａｎｇ ａｎｄ Ｗｅｎｂｉｎ Ｗａｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ 想和理念对于全球环境下的数字制造业将会产生深远 Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ 的影响。 ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｉｒｔｙ－Ｅｉｇｈｔｈ Ｓｏｕｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｈｅｏｒｙ， 参考文献 Ｃｏｏｋｅｖｉｌｌｅ，Ｔｅｎｎｅｓｓｅｅ，ＵＳＡ，２００６． １周德俭 使用ＰＣ的开放式计算机数控系统——ｃＮｃ的发展 ５ Ｌｉｈｕｉ Ｗａｎｇ．Ａ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ａｐｐｒｏａｃｈ Ｕｓｉｎｇ 方向【Ｊ】．机电一体化，２００２，（７）． Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｌｏｃｋ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆｔｈｅ ２００２ ＡＳＭＥ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇ－ ２刘鹏玉，石广田．基于ＩＳＯ ６９８３与ＩＳ０ １４６４９标准的数控系 ｉｎｅｅｆｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｍｏｎｔｒｅａｌ，Ｑｕｅ，Ｃａｎａｄａ，２００２ 统对比研究【Ｊ］．机械工程与自动化，２００５，（２）． ３郭烈恩，刘忠炼．智能化的ｃＮｃ——ＳＴＥＰ。ＮＣ［Ｊ】 中国制造 （编辑 文 圻） 机械制造４５卷 第５１６期 ２ｏ０７／８ 维普资讯 http://www.cqvip.com 表１ 铝和玻璃的物理参数值 材料 熔点 沸点 密度ｐ 比热容 导热系数ｋ Ｔ．／Ｋ ／Ｋ ／（ｋ舯 ） ／（Ｊｋｇ Ｋ ） ／（Ｗ・１１１ ・Ｋ ） 玻璃 １ ３５０ １ ７６９ ２ ２３０ １ ０４８ ２３４ 铝 ６６０ ２ ７２３ ２ ６９８ ９００ ２２１ 验（见表２），发现随着焊速的增加熔深逐渐降低，而孔 径略微增加。 表２ 不同焊速下的孑Ｌ径值 Ｉ焊速／（ ． ‘－） ｌ ０．０５ １ ０．ｏ４ Ｏ．Ｏ１ 『 孔径／ｍｍ ｆ ０．０９ ｆ ０．１１ Ｏ．１６ 【 熔深／ Ｉ ２．３０ Ｉ ２．５３ ４．１Ｏ 在数值模拟计算中，我们取 ：０．０１ ｍ／ｓ，工件表 面处小孔直径ｒ＝０．１６ｍｍ。 ２计算模型的建立 ２．１热传导数学模型的基本假设 我们参照文献［１】作出如下热传导模型的基本假 设： １）不考虑沿小孔深度方向的热传导，即假设层与 层之间没有热传递。与热传导焊接不同，激光深熔焊接 中，由于小孔的形成，激光的能量借助小孔效应而直接 被工件所吸收，热传导主要发生在小孔的径向和周向， 沿小孔深度方向的热传导可忽略。 ２）假设材料的热物理性质（如比热容ｃ 、密度ｐ、 导热系数ｋ）均为不随温度变化的常数，其值取室温下 材料的热物理参数值。 ３）不考虑熔池流动的影响。 ４）忽略材料汽化的影响。 ５）小孔孔壁的温度取为材料的汽化温度 。 ６）考虑准稳定状态。 ２．２热传导模型的控制方程 在实际的激光深熔焊接的小孔中，激光轴线与孔 ２００７／８ 的中心线是不重合的，因此在作出上述假设的前提下， 激光深熔焊接的小孔形状可用一系列高度为△ｚ的短 圆柱体来近似表示，如图３所示。 为了建立控制方程，现在从深度ｚ处取一厚度为 △ 的小孔薄层来分析。在假设２的前提下，我们只考虑 某一层的热传导，这样就把三维问题变成二维问题来 处理了。在移动的坐标系内，热传导方程为： （鲁＋鲁）＋ｐｃ ＝０ （１） 为了处理的方便，改用极坐标系（ｒ， ）。对上述方 程作坐标变换 ：ｒｃｏ８０，Ｙ：ｒｓｉｎ０，式（１）可变为： ［÷ （ｒ警）＋ 器】 ＋ｐ￣ｐＩ）（ｃ刚警一 ）＝０ （２） 取 ： 理后，可得 Ｐ ’ （警＋ 斋）＋（号…剁）警一 嚣＝０（３） ２．３热传导模型的有限差分方程与边界条件 激光与材料的相互作用是一个较复杂的物理过 程，其温度场的分布不仅与材料本身的热物理性质（比 热容、导热系数、密度）有关，而且与激光加热参数（功 率密度、能量分布、作用时间）有直接的关系，要通过解 析法求解热传导方程得出温度场分布将会非常困难， 因此本文采用数值分析法来求温度场的分布。 ２．３．１ 建立热传导模型的有限差分方程 １）计算区域的确定及网格划分，我们不考虑小孔 内部的温度场分布，只计算小孔外部的温度场。网格划 分如图４所示。 ２）有限差分方程的建立，采用中心差分法对热传 导方程进行数值求解。假设ｒ和０方向的网格步长分 别为△ｒ和△０，则有 ｎ＝ｒｌ一１＋（ 一１）△ｒ （４） ０＝（ｉ一１）△０ （５） 譬：ａｒ 二）△ｒ 二 （、６）～ 机械制造４５卷第５１６期 维普资讯 http://www.cqvip.com ａ Ｔ ａｒ２ △ｒ （７） ａ Ｔ（ｉ， ＋１）一Ｔ（ｉ， 一１） ａ０ Ａｒ （８） ： ！ ：． ± ２± ！ ：． 二 ２＝ （ ：． ａ０ｚ Ａｒ （９） 将式（６）～（９）代入式（３）整理可得： 【Ｌ（ｒ Ａ［＿） 一赤２ｒＡ一ｒ ２ Ａｒ］Ｊ （ ＿ｌ一 Ｊ， ） ＋［志＋ ］ Ｊ一１） ［ ＋ ］ ） ＋［志一 ］ ＋１） ＋ ＋ ］ （ ＋ｌ＇ ）＝０（１０） 以上有限差分方程只适合于同一种材料的内部节 点。而对于不同材料， ＝ ／（ｐｃ）不相同，因此计算不 同材料的内部节点的温度时 须取不同的值。我们定 义铝合金内部的 ＝ｋ ／（Ｐ ｃ ），玻璃内部 ＝ｋ２／ （Ｐ Ｃ ：），在玻璃和铝合金的交界面上取 ＝（ ＋ ０１２）／２。 ２．３．２边界条件分析 由于本实验有３种不同的区域（铝合金区域、ＧＧ１７ 玻璃区域以及二者的接触面区域），由于不同的区域 的取值不一样，所以要分情况讨论它们的边界有限差 分方程形式。 １）当 ＝ｍ（ｒ一。。）即离小孔无穷远处，工件的温 度维持室温 ，计算这类边界节点时，在有限差分方 程中把 （ｍ＋１，Ｊ）取为室温 。 ２）当 ：１即小孔孔壁的温度为 （ ），此时，这 机械制造４５卷 第５１６期 些边界节点的温度就是孔壁的温度，这类边界条件又 分３种情况。 ①当铝合金和玻璃交界处熔池的孔壁，：１与，： （ｎ＋１）／２时， ＝（ ＋ ：）／２； ②当铝合金熔池孔壁１＜ ＜（ｎ＋１）／２时， ： ； ③当玻璃熔池孔壁（ｎ＋１）／２＜，＜ｎ时， ： ：。 ３）当处于玻璃和铝合金的接触面上，即 ＝１或者 ＝（ｎ＋１）／２时，由于向两侧材料传热的不同，向铝一 侧传热的 取 ，向玻璃一侧传热的 取 。 ３计算结果与分析 ３．１工件ｇ－面处的温度场分布 数值模拟结果是在以下工艺参数：激光功率Ｐ： ２ ０００ Ｗ，激光移动速度 ＝０．０１ ｍ／ｓ得到的。图５表示 的是工件表面处温度场的三维图形，由于玻璃和铝的 汽化温度相差很大，所以在图５中的ｙ轴下半部分高 温区出现了温度“台阶”；如要得到温度梯度的具体变 化情况可以从图６中进行分析。 ３．２不同深度处温度场的分布 由于小孔的半径随孔深的变化而改变，所以只要 取不同的孔径就可以模拟出不同深度处温度场的分 布，从图６～图８我们可以得到不同孔径等温线的分布。 我们发现随着孔深的增加温度梯度也逐渐增大。 ３．３工艺参数改变时的温度场分布 由于激光功率的改变会影响小孔的深度和孔径， 因此只要在程序中取不同的孔径进行分析就可得到激 光功率对温度场的影响结果。为了分析焊接速度对温 ２Ｏ０７／８ 维普资讯 http://www.cqvip.com 度场的影响，我们计算了不同焊接速度下工件表面等 温线的分布。结果如图９所示，从图中可以得到：随着焊 接速度的增加小孔的后沿的等温线逐渐后拖长。 度向外降低的同时等温线在靠近前沿有叠加现象和在 后沿有长尾效应。 ４）根据数值模拟的结果，对激光焊接速度和功率 ４结论 １）本文首先创造性地透过玻璃直接观测到激光深 熔焊接金属材料时的小孔形状，为数值模拟计算提供 了依据。 等工艺参数进行改变，发现工件表面处温度场形状变 化很大。焊速较低时，玻璃和铝等温线大体都成半圆 形，随着焊速的增加，小孔后沿靠近工件交界处的部分 逐步有向后拖延的现象，这与实际观测到的焊接情况 也是相符的。 ２）本文对激光深熔焊接铝合金与ＧＧ１７玻璃的传 热过程进行了理论分析，建立了激光深熔焊接异种材 Ｎ－温度场的数学模型，并讨论了异种材料焊接时存在 的３类边界条件。 参考文献 １金湘中．激光深熔焊接小孔效应的理论和试验研究［Ｄ］．长 沙：湖南大学，２００４． ２张永康，周建忠，叶云霞．激光加工技术［Ｍ］．北京：化学工业 出版社，２００４． ３）利用有限差分法将控制方程离散化，并编制 Ｍａｔｌａｂ程序对激光深熔焊接铝合金与ＧＧ１７玻璃的数 学模型进行了数值求解，得到了小孔不同深度处的温 度场分布的立体图形和等温线图，发现由于两块材料 的物性参数相差很大，温度场的分布完全不对称。铝合 金部分等温线大体成半圆形状，但有向后沿拖长的现 象；而玻璃由于熔点低，导热系数小，且受铝的影响，温 ３杜国华主编．实用工程材料焊接手册【Ｍ】．北京：机械工业出 版社，２００４． ４薛忠明，顾兰，张彦华．激光焊接温度场数值模拟［ｊ］．焊接学 报，２００３，（２）． △ （编辑 日 月） 康迪泰克公司为中国生产的Ｖｏｌｖｏ客车提供中国本地生产的空气弹簧系统 康迪泰克空气弹簧系统公司正在中国扩大载重汽车和公交车 所需的空气弹簧业务。康迪泰克集团在中国宁海拥有一个装配空气 弹簧系统的工厂，这个工厂对销售业绩产生了积极的作用。不久前， 康迪泰克空气弹簧系统（宁海）有限公司开始向瑞典沃尔沃汽车公 司在中国生产的Ｂ７Ｒ型客车原装配套完整的空气弹簧系统 （１８５７５Ｍ）。 大双方的合作。从先前只供应气囊到如今提供由中国宁海工厂组装 的完整的空气弹簧系统，康迪泰克进一步提高了外国汽车零部件制 造商产品的国产化率。对此，康迪泰克空气弹簧系统（宁海）有限公司 总经理菲利普先生（０１ａｆＰｈｉｌｉｐｐ）解释道：“对于我们在中国成立的新 工厂，拿到沃尔沃的订单是我们迈向成功的重要一步。这表明，我们 的发展方向是正确的。同康迪泰克空气弹簧在全球的其他工厂一样， 我们中国宁海工厂提供的产品质量同样是出色的。” （鲍芳） 根据最新的供货协议，康迪泰克和沃尔沃公司正在进一步扩 ｌ圃２１１０７／８ 机械制造４５卷第５１６期
