脉冲激光加热参数对钎焊金刚石温度场影响的仿真分析

苏艳芳,郭佳杰,王颖达,张大将,黄国钦

(华侨大学制造工程研究院,厦门 361021)

脉冲激光加热参数对钎焊金刚石温度场影响的仿真分析

苏艳芳,郭佳杰,王颖达,张大将,黄国钦

(华侨大学制造工程研究院,厦门 361021)

采用ANSYS软件对脉冲式激光钎焊金刚石温度场进行仿真，采用脉动热源加载，分析脉冲激光加热下钎焊区温度场的变化规律。结果表明，脉冲热源加载下，加热区温度温升曲线呈等周期脉动变化。采用稳态最高温度Tmax、最低温度Tmin和温度波动△T对温升曲线进行量化和分析，结果表明，峰值功率、频率和脉宽对Tmax和Tmin影响都是正指数效应，且峰值功率对Tmax影响最大，频率对Tmin影响最大。峰值功率和脉宽对△T的影响都是正指数效应，且峰值功率对△T的影响比脉宽要大，而频率对△T的影响是负指数效应。

脉冲激光；钎焊；温度场；有限元模拟分析

前 言[1-3]

激光钎焊金刚石工具的原理是以激光为热源加热钎料至熔化，使钎料中的活性元素与金刚石磨粒形成碳化物形式的界面连接，从而达到牢固把持磨粒的目的。激光加热热流密度大，升降温迅速，准确控制钎焊过程中温度场时空变化对钎焊质量至关重要。激光加热过程中温度是随着时间和空间的变化呈非稳态变化的，要准确地测量出激光加工过程温度变化在技术上实现极为困难，借助仿真模拟技术是当前的主要手段。

南京航天航空大学杨志波对连续型激光热源进行了仿真分析，利用ANSYS有限元软件，建立了以Ni-Cr合金为钎料的激光钎焊过程三维瞬态温度场分析模型。在考虑了相变潜热、对流和随温度变化的热物性参数下，分析了温度场的分布特征。关于脉冲型激光加热过程仿真，已有文献都是采用脉冲热源等效转变成连续型热源进行加载的。本文以脉冲式激光钎焊金刚石的温度场为对象，利用有限元软件ANSYS进行仿真，采用脉冲式热流加载，模拟激光加热升、降温过程中的温度场分布规律，着重探索脉冲激光参数对温度场和温度变化的影响，以期为实际应用提供参考依据。

1 脉冲激光钎焊热源模型

图1为激光定点钎焊示意图。激光从激光器发射后经过聚焦透镜聚焦后照射在金刚石和钎料层上，利用光能转化为热能将照射区加热从而实现钎焊连接。

图1 激光定点钎焊示意图Fig.1 Diagram of laser spot brazing

受聚焦透镜的影响，激光照射光斑区内激光能量分布并不均匀，通常会用热源模型分布表示。根据本文所用设备的透镜特点，取热源模型为高斯热源模型(如图2所示)，并可用式1表达如下[4]：

(1)

式中：R为有效加热半径；r为钎焊表面上任意点至激光加热斑点中心的距离，η为钎焊热效率，U为电弧电压；I为焊接电流。

图2 Gauss热源模型Fig.2 Gauss heat source model

与连续激光相比，脉冲激光比较复杂，如图3所示，其激光器输出功率是呈周期性脉冲的，其中P0为脉冲峰值功率，T为脉冲周期(通常也用脉冲频率f表示)，τ为脉冲脉宽。

图3 脉冲功率波形图Fig.3 Pulse power oscillogram

脉冲激光输出平均功率与其输入参数的关系如式2所示：

(2)

2 激光加热钎焊过程传热的基本方程[5-7]

激光钎焊金刚石所用的金刚石磨粒尺寸远比钎料层要小，且透过性和热导率均很好,因此在模拟分析过程中完全可以忽略金刚石磨粒对温度场的影响，故激光钎焊金刚石的热传导方程可写成以下形式：

(3)

式(3)中：ρ为物料密度(kg/m3)；C为比热(J/kg·℃)；T为温度(℃)；t为时间(s)；Kx、Ky、Kz为各方向上的导热系数(W/m·℃)。

对于非稳态导热问题，定解条件有两个方面，即给出初始时刻温度分布的初始条件，以及给出导热物体边界温度或换热情况的边界条件。导热微分方程及其定解条件构成了一个具体导热问题的完整的数学描述，具体为：

1)给定物体初始条件：

2)给定物体边界上的热量输入或输出，称为第二类边界条件。

(4)

3)给定对流换热条件，称为第三类边界条件。

(5)

其中h为换热系数w/(m2·k);Ts是物体表面的温度；Tf是介质温度。nx,ny,nz为边界外法线的方向余弦。

4)激光钎焊过程中钎焊层表面向环境辐射热，属于第四类边界条件，即给定辐射散热条件

(6)

式中ε表示实际物体的有效辐射率，σ为斯蒂芬-玻尔滋蔓常数，约为5.67×10-8(W /m2·K4)，Tsur为空间环境温度，Ts为物体表面的温度。

在激光钎焊过程中，主要的边界条件是：第二类边界条件即热流密度输入，三类边界条件即钎料层表面存在以保护气体(氩气)为介质的对流散热过程，第四类边界条件即钎料层表面向环境辐射热能。

3 激光钎焊温度场的分析理论[8-9]

有限元法又称有限单元法或有限元素法，基本思想是将求解区域离散为一组有限元，且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。离散化是有限元方法的基础，离散后的单元与单元之间只通过节点相联系，所有的载荷都通过节点计算。

有限元方法计算温度场时，首先对空间域的离散，M个具有ne个节点的单元所离散，V内共有N 个 节点，在每个单元内各节点的温度用单元节点温度{T}e来表示，即：

式中，[N]为形函数，在每个单元内对瞬态温度场应用加列金(Galerkin)法，由于[N]只是空间域的函数，故有：

(8)

4 激光钎焊金刚石温度场有限元仿真模型

4.1 仿真模型建立与网格划分

忽略金刚石影响的激光钎焊加热模型可分为两部分：钎料层和基体，上部分是钎料层(本文采用Ni-Cr粉末钎料层，厚度为0.2mm)；下部分是基体，其材质为金属基体(本文选45号钢，直径20mm×厚8mm的圆柱体)。为了便于计算，取四分之一模型进行建模。

在划分网格时，靠近光斑照射区域的钎料层网格尺寸0.0001mm，基体网格划分距离光斑越远网格越大。网格划分采用有限元软件ANSYS中的八节点六面体solid70单元，得到的有限元模型如图4所示。

图4 激光钎焊模拟有限元模型Fig.4 Simulated finite element model of laser brazing

4.2 确定热源模型及加载条件

在脉冲型激光加热时，热流密度是脉冲式周期变化的，需要用APDL语言编写DO循环语程序，并设定一定的时长载入有限元软件ANSYS中，通过循环加载方式实现。

4.3 初始条件与边界条件的确定与材料物性参数

初始条件：当t=0时，工件与环境有相同的初始温度，室温正常选20℃。

边界条件：物体外表面与周围环境的热交换，传热学中一般把它分为四类：1给定物体边界上的温度；2给定物体边界上的热量输入或输出；3给定对流热交换条件；4给定辐射散热条件。

上述四个边界在激光钎焊中均存在。但是热辐射影响和热对流之间计算方法不同，因此采用修正系数β来消除两者的计算差异，并用总的热交换系数η来表示热辐射和温度对流的总影响。由于η是关于β的函数，所以边界热交换减少的热量可以表示为q0=η(T-T0)。在计算过程中，钎料的表面与氩气的对流换热及热辐射用总的换热系数η来表示，取值如表1。本文所用激光加热钎焊参数如表2所示。

表1 总换热系数

表2 激光钎焊参数

5 结果及讨论

5.1 初始规范组有限元模拟分析

本文采用表3为初始参数组，命名为初始规范组。在初始参数组的基础上予以调动激光工艺参数进行模拟实验。

表3 初始规范组参数

Table 3 Initial specification group parameters

激光峰值功率(W)1710频率(HZ)30脉宽(ms)3

(1)温度分布云图

激光作用时间为1s，如图5所示，给出了工件在最后一个脉冲几个时间点的温度场分布：t=0.966667s,t=0.969667s,t=1s。每个颜色代表一个温度区间。

图5 脉冲型热源各时间点温度场分布模拟图Fig.5 Temperature field distribution simulation of pulse heat source at different time points

可以看出，脉冲热流作用于工件时，光斑照射区温度迅速上升然后又迅速下降。在一系列激光脉冲持续的加载时，最后一个脉冲脉宽结束后加热区达到最高温度，如图5(b)所示，当t=0.969667s时达到最高温度3207.69℃。

(2)中心点温度随加热时间的变化趋势

图6是初始规范组的加热中心点温度随加热时间的变化曲线。从图上可以看出，随着脉冲热源周期性加载，温度呈明显周期性波动。一个脉冲周期中，随着热源的加载，温度极速上升到高温，又随着热源的消失，由于热传导和热对流的作用，温度快速下降。

图6 初始规范组中心点随时间变化的温度曲线图Fig.6 Temperature curve of the center point of the initial specification group at different time points

5.2 激光脉冲参数对温度场变化的影响

为了分析脉冲参数对温度场的影响，表4参数进行模拟，其中A组参数为上节所提的初始规范参数；B～G组分别改变双变量，但平均功率不变，其中B、C组脉宽不变，D、E组频率不变，F、G组脉冲功率不变。B～G 六组仿真模拟结果：中心点随时间变化的温度曲线图如图7所示。

从仿真结果看出，C组和E组的稳态峰值温度较高，而温度太高会导致热损伤从而导致金刚石发生石墨化、破碎，所以C组和E组参数不符合激光钎焊所需的温度变化，C组和E组温度的峰值功率都较高，为2565W。相对应的B组和D组的峰值功率都较低时为1140W，从仿真结果可以看出峰值温度是最低的两组。由此可以得出，峰值功率对温度变化曲线的峰值温度有很大的影响，要得到合适的钎焊温度，要适当降低峰值功率。B组和D组参数中的峰值功率相同，B组频率较高，D组脉宽较高，从仿真结果对比看出，B组温度波动较小；F组和G组参数中的峰值功率都是1710W，F组脉宽较高，G组频率较高，仿真结果对比，G组温度波动较小。由此可见，频率对温度变化波动大小比脉宽更具有影响。钎焊过程中温度的急热急冷会导致钎料层产生裂纹，所以需要温度波动越小越好，而要得到小的温度波动，就要增大频率。

表4 激光钎焊工艺参数组及仿真结果

图7 中心点随时间变化的温度曲线图Fig.7 Temperature curves of the center point at different time points

由于温度高低和温度波动对钎焊质量影响很大，为了更能准确反映脉冲参数对温度场的影响；稳态最高温度Tmax、稳态最低温度Tmin、温度波动△T进行表征(如图6所示，结果如表4所列)。为了分析脉冲参数对以上所叙三个指标影响，采用经验公式进行权重分析，结果如图8～10和式9～10。

图8 Tmax、Tmin、△T的回归分析Fig.8 Regression analysis of Tmax, Tmin, and △

(9)

(10)

(11)

从式9～10的指数系数可以看出，峰值功率、频率和脉宽对Tmax的影响都是正指数效应，且峰值功率对Tmax影响最大。峰值功率、频率和脉宽对Tmin的影响也都是正指数效应，且频率对Tmin影响最大。峰值功率和脉宽对△T的影响都是正指数效应，且峰值功率对△T的影响比脉宽要大，而频率对△T的影响则是负指数效应。因此，在激光钎焊过程中，为了减少高热冲击引发金刚石发生石墨化和开裂等问题，要适当减小峰值功率和脉宽，增大脉冲频率；为了减少温度的急冷急热导致钎焊层产生裂纹，所以需要温度波动越小越好，要得到小的温度波动，就要增大频率。从仿真结果分析可得，要得到好的钎焊结果，钎焊过程中的峰值温度要保持在一定的范围内，温度的波动要尽可能的小，对于采用脉冲式激光加热实现金刚石钎焊，要适当地降低峰值功率，增大脉宽和脉冲频率。

总 结

本文采用ANSYS软件对脉冲式激光钎焊金刚石温度场进行仿真，采用脉动热源加载，分析脉冲激光加热下钎焊区温度场的变化规律。结果表明，脉冲热源加载下，加热区温升曲线呈等周期脉动变化。采用稳态最高温度Tmax、最低温度Tmin和温度波动△T对温升曲线进行量化和分析，结果表明，峰值功率、频率和脉宽对Tmax和Tmin影响都是正指数效应，且峰值功率对Tmax影响最大，频率对Tmin影响最大。峰值功率和脉宽对△T的影响都是正指数效应，且峰值功率对△T的影响比脉宽要大，而频率对△T的影响则是负指数效应。

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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

国家自然科学基金(51575198, 51235004)，华侨大学研究生科研创新能力培育计划资助项目(1511303018)

苏艳芳(1991-)，女，硕士研究生。研究方向：高效精密加工。

黄国钦,E-mail:smarthgq@hqu.edu.cn

苏艳芳,郭佳杰,王颖达,等.脉冲激光加热参数对钎焊金刚石温度场影响的仿真分析[J].超硬材料工程，2017，29(2)：22-27.

TQ164

A

1673-1433(2017)02-0022-06