李建龍 鐘恩松

鋁合金激光焊溫度場計算及測試

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)溫度場模型，針對鋁合金激光焊得出溫度梯度解析式。對激光焊接工藝參數(shù)峰值功率、焊接速度、離焦量三因素進(jìn)行正交試驗，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。采用溫敏試紙對焊縫周圍進(jìn)行溫度測試，測試結(jié)果與理論計算結(jié)果一致。

激光焊 溫度場計算 溫度測試

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［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、易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)等特點，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，長春客車廠就建成國內(nèi)第一條鋁合金車體自動化焊接生產(chǎn)線。輕量化是鐵路動車發(fā)展的一個重要趨勢，到目前，鋁合金在高速動車上的應(yīng)用越來越多，在鋁合金動車車體上，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，這個距離目前沒有理論及實際的經(jīng)驗指導(dǎo)，通過大量的生產(chǎn)探索費時費力，延長了產(chǎn)品的開發(fā)周期。因此，該種工況下對鋁合金激光焊接過程的溫度場預(yù)測十分重要。文中計算鋁合金激光焊接過程的瞬態(tài)溫度場分布，并通過溫敏試紙對焊縫周圍進(jìn)行溫度測試。

1 鋁合金焊溫度場計算及測試

1．1 鋁的激光焊溫度場計算模型

激光焊是通過激光束對材料進(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，對與焊縫速度成法線方向的焊縫周圍進(jìn)行溫度場分布分析，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)為是一個點狀熱源，對應(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)，由疊加原理可將點熱源和線熱源各自的溫度場解析表達(dá)式直接相加得到工件的溫度場計算式，即某點的溫度等于各熱源對該點產(chǎn)生的溫度總和。因此對于激光焊接條件下的點－線雙熱源模型，根據(jù)二維瞬態(tài)溫度場的解析式，可知作用于表面點熱源的溫度為:

作用于表面線熱源的溫度為:

焊接工件上某點的溫度是點熱源與線熱源對該點共同作用的結(jié)果，該點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為激光作用時間。文中重點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

采用光纖激光器對4系鋁合金(4046鋁合金)進(jìn)行焊接試驗，試件規(guī)格為100 mm×50 mm，厚度為0．5 mm。對焊接工藝參數(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(激光聚焦焦點與工件表面的距離)，對這三因素進(jìn)行正交試驗，并且保持其他因素不變。焊接結(jié)果的評價標(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，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

2 鋁的激光焊接溫度場計算

2．1 溫度場公式計算

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，溫度下降得非常快;離焊縫遠(yuǎn)的區(qū)域，溫度下降得非常緩慢。

2．2 實際溫度測試

圖2 溫度分布圖

將測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。測溫試紙品牌為thermax，型號為感溫貼片，規(guī)格為25 mm×15 mm×1 mm，然后進(jìn)行激光焊試驗，當(dāng)溫度試紙變色，對應(yīng)的溫度示數(shù)即為工件表面的溫度。根據(jù)試驗結(jié)果，與焊縫中心距離為1．0 mm，1．5 mm 及2 mm，對應(yīng)的溫度分別為260℃，200℃和150℃，試驗測試結(jié)果與二維瞬態(tài)溫度場公式計算得到的結(jié)果基本一致。

圖3 測溫試紙測試溫度

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)二維瞬態(tài)溫度場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)對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗，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，計算出溫度梯度分布。通過溫度試紙進(jìn)行溫度測試，測試結(jié)果與計算得到的結(jié)果基本一致。

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TG454．7

2017－02－07

李建龍，1982年出生，碩士，講師。主要研究方向為傳動系統(tǒng)控制。