Nd_YAGCW激光热传导焊__温度场三维解析计算

t
∃ T ( x , y , z , t ) = AQ 2!c a 0 2
1
3
e-
[ x + v ( t- )] 2+ y 2 2 2+ 4a( t- )
e-
( z - 2nh) 2
4a( t- ) d
+
T 0。
t- + 2a( t- ) 2
( 9)
式( 9) 就是所求的温 度场, 其中 是光 斑半径 的函数, 而光斑半径又是随着离焦量的变化而不同。 因此, 的大小是由离焦量 %Z 来决定的, 文中由曲 线拟合得出 与 %Z 的关系 式为 = 1 [ 0. 01156
热传导的方式进行。一 旦材料表面温 度达到熔点
T m, 材料表面融化, 只要材料表面温度不超过沸点,
熔化波向材料内部稳定传播, 其传播速度与激光功
率 和 材 料 的 液 相 和 固 相 热 力 学 参 数 有 关 。图1 为 激
14 光热传导焊中热传导的示意图[ 1] 。
焊接学报
第 23 卷
图 1 激光热导焊中的热传导 Fig.1 Heat conduction during laser heat conduction welding
6 ( %Z ) 2+ 0. 3] ( 透镜焦距为 f = 200 mm, 焦点半径为 R0= 0. 3 mm) 。
4 激光热导焊温度场解析模型的试验 验证
激光热导焊温度场解析模型可以通过测量热影 响区中点的温度来直接验证。这种方法虽然直接、 简单, 但是由于激光热导焊的焊接热影响区非常小, 而其温度梯度又非常大, 测温点的稍微偏离和监测
成是无数个瞬时激光束的连续作用, 对时间积分可
h 的无限大平板中点( X p, Yp, Zp) 的温度为
# ∃ + ∀
T ( X p, Yp, Zp, t) =
AQ
t
1
n= - ∀ 2!c a 0 t -
1 2+ 2a( t-
( X - X ) 2+ ( Y - Y ) 2
( Z - 2nh) 2
e)
第 23 卷 第 6 期 200 2年 12 月
焊接学报
TRANSACT IONS OF THE CHINA WELDING INST ITUTION
Vol. 23
No. 6
December 2 0 0 2
Nd: YAG CW 激光热传导焊
. 温度场三维解析计算
秦国梁1, 杨永波2, 林 泳2, 齐秀滨2, 王旭友2, 林尚扬1, 2
Nd: YAG CW( 掺钕钇石榴石固体激光输出连续波的 光束) 激光热导焊的温度场进行了研究, 建立了激光 热导焊温度场三维解析计算模型, 为激光热导焊的 临界功率的求解奠定基础。
1 激光热导焊焊接机理
激光焊接从焊接机理上可分为激光热导焊和激 光深熔焊。二者都是将高强的激光束直接辐射至材料 表面, 通过激光与材料的相互作用, 使材料局部熔化 实现焊接。激光与材料的相互作用过程中, 同样会 出现光的反射、吸收、热传导及物质的传递。只是在激 光热导焊中, 辐射至材料表面的功率密度较低, 光能 量只能被表层吸收, 不产生非线性效应或小孔效应。
2 Nd: YAG 激光光束能量分布及其传播
图 2 Nd: YAG 激光光板半径与离焦量的关系 Fig. 2 Relationship between radius of laser beam and distance from focal point to top surface of workpiece
Nd: YAG 是一种多模激光, 光束质量没有 基模
激光那么好。因此, 光束中的能量分布也不象基模
激光束那样严格 地符合 Gauss 分布, 但对于 在焦点
附近( 焦深范围内) 的光束比较接近于 Gauss 光束。
而对于激光焊接来说, 所用的激光光斑一般都在焦
点附近( 焦深范围内) 高能束焊接方法。目前, 激光 焊接以其高速高效、变形小、非接触加工、易于实现 自动化等特点在诸多的生产加工过程中得到应用。 其中 Nd: YAG 激光以其波长短、吸收率高以及可通 过光纤传输而易于实现加工过程的自动化和柔性化 等优点而广泛应用于焊接生产中。
根据焊接机理, 激光焊接分为激光热导焊和激 光深熔焊。以往人们认为: 两种焊接模式之间存在 一个临界点, 亦即在给定离焦量、焊接速度和保护气 流量情况下激光功率在临界点时, 焊接模式将在热 导焊和深熔焊二者之间来回跳变, 出现焊接模式不 稳定的现象。但是在实际的焊接过程中, 焊接模式 跳变现象是出现在一个焊接参数范围之内, 而不是 一个点上。这一点在 CO2 激光和 Nd: YAG 激光焊接 都得到了证明。但是这个范围到目前为止在理论上 还没有一个很完善的计算方法。
光线形成的一个点而是一束光线形成的能量分布接 近Gauss分布的 光斑。利用叠加原 理可以求得在 光
用累积原理[ 4] 将光斑中不同的点( ∀, #) 对所求得点 ( X p, Yp, Z p) 的影响叠加起来, 即对热分布范围内各
斑作用下工件中任意一点的温度。以激光光斑中心 点积分。这样, 在 t = 时刻, 在 Gauss 光束的作用
接过程中全部的传热方式, 无论是数值解还是解析 解都很难得到一个精确的解, 因此, 在求解焊接热过 程时都要有一定的假设。
在激光热导焊中, 热传导在热的传播过程中占 主导地位, 辐射和对流因在热传播过程中只占很小 的份额可以忽略不计。另外, 激光热导焊的熔池很 小, 因此可以忽略熔池中相变潜热的释放以及热物 理参数随温度和状态的变化对焊接热过程的影响。
激光热导焊是以热传导为主要传热方式的焊接 模式, 在焊接过程中, 不出现材料的大量蒸发, 熔池 中的最高温度也不超过材料的沸点。根据这一点, 可以通过建立熔池中温度和焊接参数的关系, 来求 解出激光热导焊的临界功率, 而温度场是建立熔池 中温度和焊接参数关系最好的桥梁。因此在文中对
收稿日期: 2002- 04- 22 基金项目: 国家科技攻关计划资助项目( 96- A22 04 01)
过程中传感器地稍微抖动都将给试验结果带来很大 的误差。因此, 这种验证方法可靠性不高。
计算是基于有限厚度无限大平板来进行的。所 应用的假设条件对计算结果的影响在电弧焊中表明 其造成的 误差在可接受范围之内[ 2, 3] , 同电弧焊相 比, 激光焊具有更小的熔池, 因此文中的假设条件对 计算结果造成的误差可能会更小。 3. 2 激光热导焊温度场解析计算
在 t = 时刻, 在半无限大的焊接工件表面( x 0, y 0, 0) 点作用一条能量密度为 q 的瞬时光线, 工件对 光的吸收率为 A 。以 t = 0 时刻为坐标原点, 以焊接 速度 v 的方向为 x 轴的正方向, 建立直角静坐标系 ( X S, Y S, ZS ) , 则在 工件中某 一点( X p, Yp, Zp ) 在 t 时刻的温度升高为
T ( X p, Yp, Zp, t ) - T 0=
2Aq !c[ 4 a ( t -
e , 3
-
( X p - x 0) 2+ ( Yp - y 0) 2+ 4a( t- )
ZP2
( 4)
)] 2
式中: A 为材料对激光的吸收率; c 为比热; a 为热 扩散率; !为激光功率密度; T 0 为工件初始温度。
( X D, YD, 0) 为原点, x 轴和静坐标系中 X S 轴重合, 建立随激光 束以速度 v 移动 的动坐标 系( X D , YD ,
下, 厚度为 h 无限大平板中某一点( X p, Yp, Z p) 在 t 时刻的温度升高为
T ( X p, Y p, Zp, t ) - T 0=
+∀
#
n= - ∀
e-
3
p0
p0
P
4a( t- )
,
( 5)
n= - ∀ !c [ 4 a( t - ) ] 2
第6 期
秦国梁, 等: Nd: YAG CW 激光热传导焊
15
式中: n 值可以根据所允许的误差计算确定。
ZD) 。在实际的焊接过程中, 功率为 Q 激光束照射
在实际上作用在工件表面上的激光束不是一条 在工件表面上的是一个半径为 R 的光斑, 因此可以
+∀ +∀
∃∃ -∀ -∀
2AQ 22
e-
∃2+ #2 22
3
e-
[X - ( X +
p
D
∃) ] 2+ [ Y - ( Y +
p
D
4a( t- )
#) ] 2+ ( Z - 2nh) 2
P
d∃d # 。
!c[ 4 a( t - ) ] 2
( 6)
将公式右边进行积分、整理得到:
+∀
# T ( X p, Yp, Zp, t ) - T 0=
AQ
1
n= - ∀ !c [ 4 a( t - ) ] 2
1 2+ 2a( t -
)
e-
( Z P- 2nh) 2 4a( t - )
e-
(
X p- X D) 2+ ( Yp - YD) 2 2 2+ 4a( t - )
。
(
7)
激光束在工件上以 v 的速度连续作用, 可以看 得到静坐标系下运动的激光束作用下的有限厚度为
( 1. 哈尔滨工业大学 现代焊接技术国家重点实验室 , 哈尔滨 150001; 2. 哈尔滨焊接研究所, 哈尔滨 150080)
摘 要: 激光热导焊是 激光 焊接 中一 种重 要的 焊接 模式, 广 泛应 用于 薄件 的焊 接中。 焊接 温度场以其为焊接过程最直接的外在表征而成为焊接过程研究的 一种常用的 研究 手段 。通过连 续波激光热导焊温度场解 析计算 对激光 热导焊进 行了研 究, 建立了 激光 热导焊温度场的三维解析模型, 并 讨论了 利用模 型对焊缝 熔合线 进行计 算。最后 基于 焊缝熔合线尺 寸试验值和计算值的比较 对温度 场解析 模型进行 了验证, 验 证试验 结果 表明 所建立的激光热导焊温度场三维解析模型能够较为准确地计算出 焊缝熔合线 的尺 寸。 关键词: Nd: YAG CW 激光; 热传导焊; 温度场; 解析计算; 熔合线 中图分类号: TG456. 7 文献标识码: A 文章编号: 0253- 360X( 2002) 06- 13- 04