激光焊接温度场数值模拟讲解
第２４卷第２期
２ＯＯ
焊接学报
ｖ０１．２４Ａｐｒｉｌ
Ｎｏ．２２０Ｏ３
３年４月ＴＲＡＮＳＡＣ’ｎ０ＮＳ０ＦＴＨＥＣＨＩＮＡ碍砸ＬＤＩＮＧＩＮＳｎＴＵｒｎＯＮ
激光焊接温度场数值模拟
薛忠明，顾
兰，
张彦华
（北京航空航天大学机械工程及自动化学院。北京１０００８３）
摘要：深入分析了激光焊接小孔传热模型的特点，在此基础上选取合适的热源形式，研究了移动线热源和高斯分布热源作用下，准稳态与瞬态激光焊接温度场。利用ＭＡＴ－ＬＡＢ软件及ＡＮｓＹＳ有限元分析程序对激光焊接温度场分别进行了计算及模拟，并且将两种分析结果进行了比较。最后还将有限元的模拟值与实测值进行了对比分析，进一步验证了小孔模型与高斯热源在激光焊接温度场模拟中的适用性。关键词：激光焊接；温度场；有限元；ＡＮｓＹｓ
中围分类号：１嘶６
Ｏ
文献标识码：Ａ文章编号：０２５３—３６０ｘ（２００３）０１—７９—０４薛忠明
序言
实测值进行了对比分析，验证了小孔模型与高斯热源在激光焊接温度场模拟中的适用性（板厚≤４ｍｍ）。
激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密的焊接方法。激光焊接具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度、适应性强等优点，广泛应用于航空航天、汽车、微电子、轻工业、医疗及核工业等要求高精度和高质量的焊接领域。
１
激光焊接中的小孔传热模型
当激光功率密度达到１０６Ｗ，／ｃｍ２时，激光能量
由于激光焊接是一巾陕速而不均匀的热循环过
程，焊缝附近出现很大的温度梯度，因此在焊后的结构中也会出现不同程度的残余应力和变形，这些都成为影响焊接结构质量和使用性能的重要因素。准确地认
识焊接热过程，对焊接结构力学分析、显微组织分析以及最终的焊接质量控制具有重要意义。
２０世纪７０年代以来，国外很多学者对激光焊接机理进行了深入的研究，提出了蒸汽小孔模型。考虑熔池形状以及熔池中金属的流动和热流分布，考虑电子密度、离子化程度、等离子体对入射激光的吸收系数和激光焊接工艺参数对熔深的影响，建立了不同的能量吸收模型”。。这些研究偏向于应用物理和量子力学的研究领域，在实际工程分析中存在一定的局限性。在国内，有关激光焊接机理以及激光焊接温度场与力学场的数值模拟方面的研究正在引起重视。
作者深入分析了激光焊接小孔传热模型，在此基础上选取合适的热源形式，研究了移动线热源和高斯分布热源作用下，准稳态与瞬态激光焊接温度场。利用ＭＡｌｌＡＢ软件及ＡＮＳＹｓ有限元程序对激光焊接温度场分别进行了计算及模拟，并且将两种分析结果进行了比较。最后还将有限元的模拟值与
收稿日期：２００２—０７—１２
向工件输入的速率远大于传导、对流、辐射散热的速率，材料表面产生汽化而形成小孔，激光能量是通过小孔而进行转换和传递的。
激光焊接中熔池与小孔的几何特征如图ｌ所示。焊件表面被加热、熔化、蒸发，在蒸汽压力的作用下形成小孔，当小孔产生的蒸汽压力与熔池中液体金属的静应力达到平衡时，小孔是稳定存在的‘“。
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激光焊接熔池与小孔几何特征囤
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激光焊接中，小孔与工件作相对运动，运动过程
中的动量扩散和热量扩散的相对程度由佩克莱特准
万方数据
８０
焊接学报
第２４卷
数（Ｐｅｃｌｅｔｎｕｍｂｅｒ）表示
Ｐｅ＝等，
（１）
式中：蜥为焊接速度；ｚ。。为小孔半径；口０为材料的热
扩散率，ｎ。＝＆伽，ｋ为工件材料的导热系数；ｐ为密
度；ｃ为比热。
激光焊接中形成的小孔半径ｋ可由下式计算
ｋ：ａ（等）粼，
㈤
式中：６为焊缝的半宽；蜥为焊接速度；＇，为欧拉常
数，ｙ，；Ｏ．５７７２；Ｋ．为固态金属的热扩散率，取值同口。；ｋ为液俸金属的导热系数；％．为固态金属的导热系数；ｔ为材料的沸点；气为材料的熔点；％为周围环境温度。
研究表明，对于通常的激光焊接规范，Ｐ．值小于Ｏ．２，小孔可近似为柱面。从传热学角度。这是一个移动的小圆柱面热源问题。由于小孔的直径（小
于Ｏ．４ｍｍ）相对于工件尺寸很小，所以还可以倚化
为移动线热源问题。由于小孔的形成。激光能量是沿轴分布在整个厚度上。又因为工件的厚度较小
（一般≤４一），所以可以认为在板厚方向没有温
差，热量在面上传播，温度场分布是二维的。
２激光焊接热源模型
激光器输出的聚焦激光光斑的功率密度分布近似为高斯分布，考虑热输入为体热源生热，且该高斯热源在板厚方向均匀穿透。高斯热源的功率密度分布为
水，ｙ）＝摹唧｛－业掣１，（３）
式中：ｄ为热流集中程度系数，对应于。取ｌ，２，３的值时，高斯热源的能量分布百分比分别为６３．２％，８６．４％，９５．０２％；ｒ．为热流分布的特征半径；Ｐ为有效功率，取入射激光功率Ｐｏ的４０％一６０％。激光焊接高斯热源的功率密度分布如图２所示。３
激光焊接温度场模拟
３．１
移动线热源条件下准稳态遵度场计算模型
对于无限扩展板上作用匀速直线运动线状热源（速度为蜥，厚度方向的热功率为∥＾）时，距移动热源ｒ处的温度ｒ（坐标ｘ为热源移动方向）的理论计算式‘３１为
万
方数据圈２激光焊接热—膏斯分布圈
晰２
蛐ｍ鲥ｈ旺蚰０ｆｂ哪删ｍｌ瓣州曲堰
卜％２赤ｅ－ｔｆ咖Ｋ（括＋詈），（４）
式中：ｈ为板的厚度；Ｋ为第二类、零阶修正贝塞尔函数；传热系数ｄ＝２＜％＋ａ。）／ｑ旃，ａ。为对流换热系数；ａ。为辐射换热系数；＾为热导率。
使用式（４），代人材料特征参数，就可以计算出准稳态激光焊的温度场分布。在温度场的理论计算中，采用激光入射功率Ｐｏ＝２０００ｗ，焊接速度蜥＝２５ｍｎ／８，坐标系随热源移动，＊轴表示工件的运动方向，ｙ轴与之垂直，都以毫米为单位。图３给出了由Ｍａ山ｌｂ计算出的理想的低碳钢板激光焊接温度场分布。３．２激光焊接温度场有限元分析３．２．１控制方程
非线性瞬态二维热传导问题的控制方程为
甲警＝未（ｘ期＋茜（×期＋＿’（５）甲面２磊ｌ”瓦Ｊ＋面Ｉ。面Ｊ＋Ｖ，
¨Ｊ
式中：Ｑ为内热源强度。３．２．２初始条件与边界条件
初始条件：当‘＝０时，工件具有均匀的初始温度，一般为周围环境温度。
ｒ＝％。
（６）边界条件：首先考虑热源作用的高斯热流分布。另外，表面对流与辐射的换热边界条件为
＾芝＝ａ（ｒ一％），
（７）
式中：ａ为总换热系数。
在ＡＮｓＹＳ有限元分析模型中，选取ｓｏＨｄ７０作
为瞬态热分析单元。实际采用该单元所进行的分析
为三维分析。只是在激光焊接时施加厚度方向均布的高斯体热源，整个焊件的温度场都可用表面二维温度场分布近似表示。焊缝中心线和热影响区由于
会出现温度梯度极高的区域，所以器采用加密网格。
第２期薛患明，等：激光焊接温度场数值模拟８ｌ
圈４激光焊接噩度塌模拟有限元舟格划分啦．４ｎｎＩｋ咖删ｍ哺ｆｏｒ岫岬帆鲥ｄｄｍｕｈ岫ｈｌ姗卅哦ｌｌｎｇ
４结果分析
考虑材料导热系数与比热等热物理参数的温度万方数据相关性，研究非线性瞬态条件下，激光焊接的温度场分布ｍ“。同样采用激光入射功率Ｐ０＝２０００ｗ，焊接速度蜥＝２５ｍＩｎ／ｓ，人焦量取Ｏ．５ｍ。工件材料为低碳钢，材料规格为１００∞×５０ｍ×４ｍ。瞬态有限元模拟结果如图５所示。圈５工件在不同时刻的蕾度场分布朋ＦＩｇ．５脚ｎ岫弛删ｂ删∞０ｆ硼州呻慨ｎ棚ｍ慨缸平板中心点的热循环曲线如图６所示，它清楚地表示了焊缝中心点的冷却速度以及所能达到的峰值温度。对比以上两种模型的结果可以看出有限元模拟的乎板中心点峰值温度与移动线热源模型的峰值温度都远大于材料的熔点，约为２４５０℃。从Ｉ＝１５ｓ开始到接近焊接结束时，瞬态有限元分析的激光焊接温度场基本处于准稳定状态，而且熔池与热影响区的形状及尺寸大小与采用移动线热
源模型计算的结果极为相似。焊接学报第２４卷
２５００
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图６平板中心点的热循环曲线№．６
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在工件表面依次取坐标点Ａ（２５，５）、Ｂ（５０，３）、圈７平板中的模拟与测量点
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圈８模拟值与实测位的比较
万
方数据示。可以看出，两者基本吻合，从而验证了温度场模拟的准确性。
５结
论
封激光焊接温度场进行了移动线热源条件下准
稳态温度场计算，对高斯分布热源作用下的激光焊接温度场进行了二维瞬态有限元分析。对比以上两种模型的结果可以看出，有限元模拟的平板中心点峰值温度与利用移动线热源模型计算的峰值温度都远大予材料的熔点。另外，瞬态有限元分析中焊接温度场存在一段较长时间的准稳定状态，且由两模型获得的熔池与热影响区的形状和尺寸大小极为相似。
通过平板上Ａ、Ｂ、ｃ三点的热循环曲线的模拟值与实测值相比较，验证了小孔模型和高斯热源在激光焊接温度场模拟中的适用性（板厚≤４ｍｍ）。
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ｈｄ，２咖，１０（３３）：４５３—４６３．
作者简介：薛忠明，男，１９７１年出生，博士研究生。主要从事焊
接结构ｃＡＥ以及焊接热力过程数值模拟等方面的研究。发表论文６篇。
Ｅｍａｎ：ｘＩｌｃ扭ｌｌｉ“ｇ＠ｖｉｐ．ｄⅥ．ｃｏｍ
ｃ（７５，１．５）三点，用于试验结果和模拟结果的比较，如图７所示。试验采用与模拟相同的焊接规范，采用热电偶测温技术进行焊接热循环测定，试验测得各点的热循环曲线与模拟热循环曲线对比如图８所
激光焊接温度场数值模拟
作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
被引用次数：薛忠明，顾兰，张彦华北京航空航天大学,机械工程及自动化学院,北京,100083焊接学报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION2003,24(2)22次
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本文链接：https://www.wendangku.net/doc/c37956011.html,/Periodical_hjxb200302021.aspx
Nd_YAGCW激光热传导焊__温度场三维解析计算
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 (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 C W 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 秦国梁 0 序 言 激光焊接是一种高能束焊接方法。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CO 2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。 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) Nd:YAG C W(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。 光的穿透深度为[1] d =-1A c ln I I 0 , (1) 式中:d 为光的穿透深度;A c 为材料的吸收系数对大多数金属来说,A c !105~106c m;I 为入射d 处的光强;I 0为激光输出的初始光强。 由式(1)可知,当光穿透微米数量级的厚度后, 入射光强I 已趋于零。因此,材料内部加热是通过热传导的方式进行。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 第23卷 第6期2002年12月 焊接学报 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INS TI TUTION Vol.23 No.6 December 2002
激光焊接应用讲解
激光焊接应用 一、激光焊接的主要特性。 激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。 高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。 与其它焊接技术相比，激光焊接的主要优点是： 1、速度快、深度大、变形小。 2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。 3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。 4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。 5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。 6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。 7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。 但是，激光焊接也存在着一定的局限性： 1、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。 2、激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。 二、激光焊接热传导。 激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。在激光与金属的相互作用过程中，金属熔化仅为其中一种物理现象。有时光能并非主要转化为金属熔化，而以其它形式表现出来，如汽化、等离子体形成等。然而，要实现良好的熔融焊接，必须使金属熔化成为能量转换的主要形式。为此，必须了解激光与金属相互作用中所产生的各种物理现象以及这些物理现象与激光参数的关系，从而通过控制激光参数，使激光能量绝大部分转化为金属熔化的能量，达到焊接的目的。 三、激光焊接的工艺参数。 1、功率密度。 功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在104~106W/CM2。 2、激光脉冲波形。 激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。 3、激光脉冲宽度。 脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。 4、离焦量对焊接质量的影响。 激光焊接通常需要一定的离做文章一，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。 离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离做文章一相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池
维导热物体温度场的数值模拟
传热大作业 二维导热物体温度场的数值模拟（等温边界条件） 姓名： 班级： 学号：
墙角稳态导热数值模拟（等温条件） 一、物理问题 有一个用砖砌成的长方形截面的冷空气空道，其截面尺寸如下图所示，假设在垂直于纸面方向上冷空气及砖墙的温度变化很小，可以近似地予以忽略。在下列两种情况下试计算： （1）砖墙横截面上的温度分布； （2）垂直于纸面方向的每米长度上通过砖墙的导热量。外矩形长为，宽为；内矩形长为，宽为。 第一种情况：内外壁分别均匀地维持在0℃及30℃； 第二种情况：内外表面均为第三类边界条件，且已知： 外壁：30℃，h1=10W/m2·℃, 内壁：10℃，h2= 4 W/m2·℃ 砖墙的导热系数λ= W/m·℃ 由于对称性，仅研究1/4部分即可。 二、数学描写 对于二维稳态导热问题，描写物体温度分布的微分方程为拉普拉斯方程
02222=??+??y t x t 这是描写实验情景的控制方程。 三、方程离散 用一系列与坐标轴平行的网格线把求解区域划分成许多子区域，以网格线的交点作为确定温度值的空间位置，即节点。每一个节点都可以看成是以它为中心的一个小区域的代表。由于对称性，仅研究1/4部分即可。依照实验时得点划分网格： 建立节点物理量的代数方程 对于内部节点，由?x=?y ，有 )(411,1,,1,1,-+-++++=n m n m n m n m n m t t t t t 由于本实验为恒壁温，不涉及对流，故内角点，边界点代数方程与该式相同。
设立迭代初场，求解代数方程组。图中，除边界上各节点温度为已知且不变外，其余各节点均需建立类似3中的离散方程，构成一个封闭的代数方程组。以C t 000 为场的初始温度，代入方程组迭代，直至相邻两次内外传热值之差小于，认为已达到迭代收敛。 四、编程及结果 1) 源程序 #include <> #include <> int main() { int k=0,n=0; double t[16][12]={0},s[16][12]={0}; double epsilon=; double lambda=,error=0; double daore_in=0,daore_out=0,daore=0; FILE *fp; fp=fopen("data3","w"); for (int i=0;i<=15;i++) for (int j=0;j<=11;j++) { if ((i==0) || (j==0)) s[i][j]=30; if (i==5) if (j>=5 && j<=11) s[i][j]=0; if (j==5) if (i>=5 && i<=15) s[i][j]=0; } for (int i=0;i<=15;i++)
激光焊接的未来与前景
激光焊接的未来与前景 激光焊接前景 摘要：焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。近几年中国完成的一些标志性工程来看，焊接技术发挥了重要作用。但传统焊接已不能满足越来越高的技术要求和条件限制，激光焊接便有了很大的发展空间。激光技术涉及材料学、力学、计算机科学等。研发是一个消耗的过程，其投入要求高，资金回收期较长。单靠企业研发，速度很难跟上，于是有一部分压力转移到国家科研机构。所以产业化需要强大的经济实体后盾和政策支持。 关键词：焊接技术关键制造工艺激光焊接产业化 焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足1克的微电子元件，在生产制造中都不同程度地应用焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。中国2005年钢产量达到3．49亿吨，成为世界最大的钢材生产与消费国，而焊接结构的用钢量也突破1．3亿吨，相当于美国一年的钢产量，成为世界上空前最大的焊接钢结构制造国。近几年中国完成的一些标志性工程来看，焊接技术发挥了重要作用。例如三峡水利枢纽的水电装备就是一套庞大的焊接系统，包括导水管、蜗壳、转轮、大轴、发电机机座等，其中马氏体不锈钢转轮直径10．7m 高5．4m 重440t，为世界最大的铸－焊结构转轮。该转轮由上冠、下环和13或15个叶片焊接而成，每个转轮的焊接需要用12t焊丝，耗时4个多月。神舟6号飞船的成功发射与回收，标志着中国航天事业的巨大进步，其中两名航天员活动的返回舱和轨道舱都是铝合金的焊接结构，而焊接接头的气密性和变形控制是焊接制造的关键。由第一重型机械集团为神华公司制造的中国第一个煤直接液化装置的加氢反应器，直径5．5m 长62m 厚337mm 重2060t，为当今世界最大、最重的锻－焊结构加氢反应器，采用国内自主知识产权的全自动双丝窄间隙埋弧焊技术，每条环焊缝需连续焊接5天。西气东输的管线长4000km，是中国第一条高强钢（X70）大直径长输管线，所用的螺旋钢管和直缝钢管全部是板－焊形式的焊接管。2005年我国造船的总吨位达到1212万吨，占世界造船总量的17％，居于日、韩之后，稳居世界第三位，正向年产2500万吨的世界水平迈进。国内制造的30万吨超级油轮、新型5668标箱集装箱船、15万吨散装货船，以及为世界瞩目的，被称为“中华第一盾”的170舰，都是中国造船界的骄傲，船体是典型的板－焊结构。另外，上海中泸浦大桥是世界最长的全焊钢拱桥；国家大剧院的椭球型穹顶是世界最重的钢结构穹顶；奥林匹克主体育场的鸟巢式钢结构重4万多吨，也是世界之最。这些大型结构都是中国焊接制造的最大、最重、最长、最高、最厚、最新的具有代表性的重要产品。由此可见，焊接在国民经济发展和国防建设中具有非常重要的地位和作用。从“十一五”规划的二十项国家重大技术装备的研制项目可以看出，在百万千瓦级核电机组、超超临界火力发电机组成套设备、高水头超大容量水电机组、大型抽水蓄能机组、30～60万瓦级循环硫化床（CFB）锅炉的成套技术装备、百万吨级大型乙烯成套设备、百万吨级大型对苯二甲酸成套设备、大型煤制气成套设备以及大型煤矿综合采掘成套技术与装备中，焊接制造都是关键制造工艺之一。 但传统焊接已不能满足越来越高的技术要求和条件限制，激光焊接便有了很大的发展空间。
西安交通大学——温度场数值模拟(matlab)
温度场模拟matlab代码： clear,clc,clf L1=8;L2=8;N=9;M=9;% 边长为8cm的正方形划分为8*8的格子 T0=500;Tw=100; % 初始和稳态温度 a=0.05; % 导温系数 tmax=600;dt=0.2; % 时间限10min和时间步长0.2s dx=L1/(M-1);dy=L2/(N-1); M1=a*dt/(dx^2);M2=a*dt/(dy^2); T=T0*ones(M,N); T1=T0*ones(M,N); t=0;l=0;k=0; Tc=zeros(1,600);% 中心点温度，每一秒采集一个点 for i=1:9 for j=1:9 if(i==1|i==9|j==1|j==9) T(i,j)=Tw;% 边界点温度为100℃ else T(i,j)=T0; end end end if(2*M1+2*M2<=1) % 判断是否满足稳定性条件 while(t end i=1:9;j=1:9; [x,y]=meshgrid(i); figure(1); subplot(1,2,1); mesh(x,y,T(i,j))% 画出10min 后的温度场 axis tight; xlabel('x','FontSize',14);ylabel('y','FontSize',14);zlabel('T/℃','FontSize',14) title('1min 后二维温度场模拟图','FontSize',18) subplot(1,2,2); [C,H]=contour(x,y,T(i,j)); clabel(C,H);axis square; xlabel('x','FontSize',14);ylabel('y','FontSize',14); title('1min 后模拟等温线图','FontSize',18) figure(2); xx=1:600; plot(xx,Tc,'k-','linewidth',2) xlabel('时间/s','FontSize',14);ylabel('温度/℃','FontSize',14);title('中心点的冷却曲线','FontSize',18) else disp('Error!') % 如果不满足稳定性条件，显示“Error ！” end 实验结果： 时间/s 温度/℃ 中心点的冷却曲线 激光焊接技术简介 2017-8-1 激光—全称为受激辐射光放大，它是一种新光源，其所具有的相干性、单色性、方向性与高输出功率等特点，是其它光源所无法比拟的。激光焊接是通过光学系统将激光光束聚集在很小的区域，焦平面上的功率密度可达到10×10w/cm2，在极短的时间内，使被焊处形成一个能量高度集中的局部热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点或焊缝。 激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105W/ cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107W/ cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。 热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。 激光深熔焊接的原理。 激光深熔焊接原理：一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达25000C左右，热量从这个高 温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材料、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。近年来，几乎所有的电子产品，如电脑、电视机、手机、数码相机以及许多电子元器件等，在生产制造中都不同程度地应用了激光焊接技术。 激光焊接设备 用于光器件封装的激光焊接设备主要有单光束焊接、三光束焊接和四光束焊接三种焊接设备，也有个别公司有用到双光束焊接设备，下面就谈谈这四种焊接的设备。 单光束激光焊机：顾名思义，单光束焊机每次焊接只有一束激光，在没有焊接时激光焊机会有一束红色的指示光束，此指示光束就是焊接时激光的前进路线。基本每台单光束焊机都配有一个显微镜，通过显微镜，可以清晰地观察到红色指示光束光斑聚焦在需要焊接的点上， 金属凝固过程计算机模拟题目：二维导热物体温度场的数值模拟 Solidworks十字接头的传热分析 作者：张杰 学号：S2******* 学院：北京有色金属研究总院 专业：材料科学与工程 成绩： 2015 年12 月 二维导热物体温度场的数值模拟 图1 二维均质物体的网格划分 用有限差分法模拟二维导热物体的温度场，首先将二维物体划分为如图1所示的网格，x ?与y ?可以是不变的常量,即等步长,也可以是变量(即在区域内的不同处是不同的),即变步长?如果区域内各点处的温度梯度相差很大,则在温度变化剧烈处,网格布得密些,在温度变化不剧烈处,网格布得疏些?至于网格多少,步长取多少为宜,要根据计算精度与计算工作量等因素而定? 在有限的区域内,将二维不稳定导热方程式应用于节点 ,)i j （可写成: ,2222 ,i j P P p i j T T T C x y ρλτ?????=+ ?????? ,1 , ,()i j P P P i j i j T T T οτττ+-???= +? ????? () , 1 , , 1 ,22 2()i j P P P P i j i j i j T T T T x x x ο+--+??? =+? ????? () , ,1 , ,122 2()i j P P P P i j i j i j T T T T y y y ο+--+???=+? ?????τ?、x ?、y ? 当τ?、x ?、y ?较小时，忽略()οτ?、2()x ο?、2 ()y ο?项。当x y ?=?时， 即x 、y 方向网格划分步长相等?最后得到节点 ,)i j （的差分方程: ()1 , ,0 1 , 1 , ,1 ,1 ,4P P P P P P P i j i j i j i j i j i j i j T T F T T T T T ++-+-=++++- 式中:() 02 p F C x λτ ρ?= ?? 米亚奇公司 Nd（钕）:YAG激光器激光焊接指南 米亚奇公司2003年版 此处包含的材料，未经米亚奇公司书面同意，严禁复 制或用于任何用途 联系方式： 米亚奇公司 Myrtle大道1820号 蒙罗维亚CA, 91017-7133 Tel.: 626 303 5676 Fax: 626 599 9636 https://www.wendangku.net/doc/c37956011.html, 目录 1.激光基础 1.1 介绍 1.2 激光产生的原理 1.3 Nd:YAG激光的介质 1.4 泵浦源 1.5 谐振器 1.6 激光安全 2.激光焊接基本原理 2.1脉冲激光焊接 2.1.1实时功率反馈 2.1.2输出功率斜波 2.1.3脉冲的成形 2.1.4时间的分配 2.1.5能量分配 2.1.6光束的传输 2.1.7聚焦头 2.2激光是怎么实现焊接的 2.3主要焊接参数 2.3.1接缝设计与配合 2.3.2部分聚焦 2.3.3材料的选择和其表面镀层 2.4激光的参数 2.4.1名词术语 2.4.2光学系统 2.4.3聚焦镜片 2.4.4峰值功率和脉冲宽度 2.4.5接缝的焊接 2.4.6保护气体 2.5焊接举例 1.激光基础 1.1介绍 “激光”一词是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射而放大的光）的缩写，激光器的要素有： Nd:YAG激光器有两种类型，连续波的和脉冲波的，正如它们的名字所指，连续激光的波形要么是开，要么是关，但脉冲激光只用部分脉冲完成焊接。脉冲激光利用峰值功率进行焊接，反之连续激光使用的是平均功率，这使得脉冲激光只用很小的能量就能实现焊接，并形成了更小的热影响区，脉冲激光焊提供了无与伦比的点焊性能和极低的焊接热输入，米亚奇的就是脉冲激光焊机。 1.2激光产生的原理 激光本质上是分三步产生的，发生几乎是瞬间的。 1.泵浦源给介质提供能量，将介质内部原子激活，使得带电原子暂时被激发到 高能级，处在此活跃级的带电原子是不稳定的，于是跃迁到低能级，在这个过程中，从泵浦源吸收能量的电子释放多余的能量并辐射出一个光子，这个过程叫做自发辐射，通过这种方式产生的光子是激光的种子。 2.光子自发传播并最终撞击到别的处于高能级的电子，由于光速极快，处在激 发态的原子的密度很大，所以这个过程是极其短暂的，入射光子将电子从高能级激发到低能级并产生另一个光子，这两个光子是相干的，这意味着它们相位相同，波长相同，传播方向相同，这个过程叫做受激辐射。 3.光子传播方向是不定的，然而一些沿着介质传播的光子撞击共振器的反射镜， 又通过介质反射回来，共振反射镜决定了受激辐射的优先扩大方向，为了使 激光焊接工艺详解 随着科学技术的发展，近年来出现了激光焊接。那么什么是激光焊接呢？激光焊接的特点与优点又有哪些呢？ 下图是激光焊接的工作原理： 首先，什么是激光？世界上的第一个激光束于1960年利用闪光灯泡激发红宝石晶粒所产生，因受限于晶体的热容量，只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达106瓦，但仍属于低能量输出. 激光技术采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束，假如焦点靠近工件，工件就会在几毫秒内熔化和蒸发，这一效应可用于焊接工艺高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。激光焊接设备的关键是大功率激光器，主要有两大类，一类是固体激光器，又称Nd:YAG 激光器。Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG代表钇铝柘榴石，晶体结构与红宝石相似。Nd:YAG激光器波长为1.06μm，主要优点是产生的光束可以通过光纤传送，因此可以省往复杂的光束传送系统，适用于柔性制造系统或远程加工，通常用于焊接精度要求比较高的工件。汽车产业常用输出功率为3-4千瓦的Nd:YAG激光器。另一类是气体激光器，又称CO2激光器，分子气体作工作介质，产生均匀为10.6μm的红外激光，可以连续工作并输出很高的功率，标准激光功率在2-5千瓦之间。 与其它传统焊接技术相比，激光焊接的主要优点是： 1、速度快、深度大、变形小。 2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。 3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。 4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。 5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。 6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远间隔焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。 7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。 激光焊接机五大组成模块讲解 1、设备整体介绍： 激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功么密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。TY-LF-260型激光焊接实训机采用恒流脉冲式激光电源、灯泵浦Nd:YAG固体激光器、进口三菱PLC运控系统和高精度二维执行机构等核心模块组成。产品整机一体化机身结构，有功能集成度高、操作人性化设计、传动系统稳定、焊接加工效率高等特点，可完成电子、机械器件焊接加工，广泛应用于航天、通讯、电子、汽车制造等加工制造类行业。 2、激光焊接机五大组成模块的作用及介绍： （1）光学系统是激光焊接设备的核心部分，由灯泵浦Nd:YAG固体激光器、谐振腔模块、激光指示定位系统、扩束系统和聚焦系统组成。激光输出的好坏直接影响到激光焊接加工效果，因此激光器及整机激光光路的调试方法是学习阶段和实际应用当中必须掌握的技能。通过对此模块的仿真实训，可以使学员全方位了解激光焊接设备中光学系统的组成及工作原理，各光学器件的结构与调试方法。 ◆激光器：焊接设备激光器为灯泵浦Nd:YAG固体激光器，由激光金属腔、泵浦氙灯和 Nd:YAG激光晶体组成。其中激光金属腔为上下分体式全腔水冷式结构，全镀金面反射瓦块，光学反射率高，有助于激光反射集中，输出光束能量强；激光器泵浦源为强亮度高压氙灯，脉冲式出光激励激光晶体产生激光，使用寿命长；激光器工作物质为Nd:YAG 激光晶体。 ◆谐振腔：激光设备中光学谐振腔指的是全反膜片镜架和半反膜片镜架之间的组成区 域，当然其中包含激光腔体；谐振腔是产生激光不可或缺的重要部分，通常谐振腔的长度直接影响到激光输出的光束质量及功率能量的大小；对于激光设备而言，谐振腔的最佳长度一般在≥4倍的激光器腔长的距离（例：激光腔体有效腔长为130mm，则谐振腔的长度为≥520mm较为合适；具体效果以实际应用情况为准）。 ◆基准光定位系统：基准光是激光光路调试及加工应用当中的重要部分，激光设备当中 一般会采用波长为635nm-650nm的红光点状激光器作为光学基准定位，此激光器定位精准，且输出功率小，光束集中不易发散，作为激光设备整体光路调整及加工的指示定位光，实际应用效果极佳。 ◆扩束系统：激光焊接设备中的扩束系统采用的是2.5倍的光学扩束镜，扩束镜通过将 主光路输出的激光束进行准直、扩束后，可将原有的输出激光光斑扩大至原来的2.5倍，使之光束模式更好，能量更为集中；准直之后的激光束经过聚焦后可得到能量更为集中的精细光斑。 ◆聚焦系统：激光焊接设备中的聚焦系统是由45°导光反射镜、聚焦镜片、调焦输出筒 和吹气组件所组成；经过准直扩束后的激光光束先经过45°导光反射镜，被折射到加工平台，再由聚焦镜片将激光束聚焦到能量最为集中的状态进行焊接加工；调焦输出筒和吹气组件是在实际焊接应用中起到焦距调整和辅助气体保护的作用。 （2）控制系统是激光焊接设备的重要部分，由控制器模块、控制电路、功能控制面板、等组成。此系统完成激光设备的逻辑功能控制、电气控制及电器电压输出、执行程序编辑、自动加工应用等功能。通过对此模块的仿真实训，可以使学员全方位了解激光焊接设备中电气控制系统的组成及工作原理，各电子元器件的结构与调试方法。 ◆控制器模块：激光焊接设备中的控制器部分是整个电气控制电路中的核心器件，一般 采用三菱Fx2n-20GM型PLC微型电脑控制器、SMC-6480型运动控制器等型号的控制器； 此类控制器功能强大，能够完成整机执行程序的编辑及逻辑控制和整机自动加工，一般 第２４卷第２期 ２ＯＯ 焊接学报 ｖ０１．２４Ａｐｒｉｌ Ｎｏ．２２０Ｏ３ ３年４月ＴＲＡＮＳＡＣ’ｎ０ＮＳ０ＦＴＨＥＣＨＩＮＡ碍砸ＬＤＩＮＧＩＮＳｎＴＵｒｎＯＮ 激光焊接温度场数值模拟 薛忠明，顾 兰， 张彦华 （北京航空航天大学机械工程及自动化学院。北京１０００８３） 摘要：深入分析了激光焊接小孔传热模型的特点，在此基础上选取合适的热源形式，研究了移动线热源和高斯分布热源作用下，准稳态与瞬态激光焊接温度场。利用ＭＡＴ－ＬＡＢ软件及ＡＮｓＹＳ有限元分析程序对激光焊接温度场分别进行了计算及模拟，并且将两种分析结果进行了比较。最后还将有限元的模拟值与实测值进行了对比分析，进一步验证了小孔模型与高斯热源在激光焊接温度场模拟中的适用性。关键词：激光焊接；温度场；有限元；ＡＮｓＹｓ 中围分类号：１嘶６ Ｏ 文献标识码：Ａ文章编号：０２５３—３６０ｘ（２００３）０１—７９—０４薛忠明 序言 实测值进行了对比分析，验证了小孔模型与高斯热源在激光焊接温度场模拟中的适用性（板厚≤４ｍｍ）。 激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密的焊接方法。激光焊接具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度、适应性强等优点，广泛应用于航空航天、汽车、微电子、轻工业、医疗及核工业等要求高精度和高质量的焊接领域。 １ 激光焊接中的小孔传热模型 当激光功率密度达到１０６Ｗ，／ｃｍ２时，激光能量 由于激光焊接是一巾陕速而不均匀的热循环过 程，焊缝附近出现很大的温度梯度，因此在焊后的结构中也会出现不同程度的残余应力和变形，这些都成为影响焊接结构质量和使用性能的重要因素。准确地认 识焊接热过程，对焊接结构力学分析、显微组织分析以及最终的焊接质量控制具有重要意义。 ２０世纪７０年代以来，国外很多学者对激光焊接机理进行了深入的研究，提出了蒸汽小孔模型。考虑熔池形状以及熔池中金属的流动和热流分布，考虑电子密度、离子化程度、等离子体对入射激光的吸收系数和激光焊接工艺参数对熔深的影响，建立了不同的能量吸收模型”。。这些研究偏向于应用物理和量子力学的研究领域，在实际工程分析中存在一定的局限性。在国内，有关激光焊接机理以及激光焊接温度场与力学场的数值模拟方面的研究正在引起重视。 作者深入分析了激光焊接小孔传热模型，在此基础上选取合适的热源形式，研究了移动线热源和高斯分布热源作用下，准稳态与瞬态激光焊接温度场。利用ＭＡｌｌＡＢ软件及ＡＮＳＹｓ有限元程序对激光焊接温度场分别进行了计算及模拟，并且将两种分析结果进行了比较。最后还将有限元的模拟值与 收稿日期：２００２—０７—１２ 向工件输入的速率远大于传导、对流、辐射散热的速率，材料表面产生汽化而形成小孔，激光能量是通过小孔而进行转换和传递的。 激光焊接中熔池与小孔的几何特征如图ｌ所示。焊件表面被加热、熔化、蒸发，在蒸汽压力的作用下形成小孔，当小孔产生的蒸汽压力与熔池中液体金属的静应力达到平衡时，小孔是稳定存在的‘“。 固１Ｈｇ．１ 激光焊接熔池与小孔几何特征囤 Ｇ岫ｅｔｒ萱ｃｆ嘲ｕｒ嚣０ｆｍｏｌｔｅｎ ａｎｄｋｅｙｈ０Ｉｅｉｎ ｐｏｏｌ Ｊ∞ｅｒｗｅⅫ咂ｇ 激光焊接中，小孔与工件作相对运动，运动过程 中的动量扩散和热量扩散的相对程度由佩克莱特准 万方数据 ８０ 《激光焊接工艺实践》课程学习指南 一、课程资源导航 二、学前要求 学习本课程需要有一定的预备基础知识，需要配置一台计算机，对计算机具体要求如下： (一) 必备基础 学习本课程的学习者必须具备一定的基础： 1.会熟练使用计算机，如常用操作系统Windows XP或者Linux，还有常用软件如PowerPoint、Word等； 2.一定的激光加工技术和工程材料学知识。 (二) 软硬件环境 1.硬件环境： 三、学习目标与要求 课程设置是基于光机电应用技术专业职业岗位能力的培养需要，要求学生通过视频课件、动画和现场实训操作等多种学习资源，掌握激光焊接原理、工艺特点和应用领域。通过本课程学习，学生不仅应该掌握激光焊接加工的基础理论，更要培养、锻炼实际动手操作能力，从而使其在掌握专业知识的基础上获得所需要的职业技能。具体要求如下： ?了解激光焊接工艺的过程和机理； ?学习根据材料特点和焊接工艺要求来选择合适的激光焊接设备； ?针对不同激光焊接设备，学会选择合适的激光焊接参数并能够对设备进行调试、维护； ?针对不同激光焊接过程，学会分析影响焊接质量的因素和解决的措施； ?学习激光焊接的安全操作常识和正确的操作规范。 四、学习路径 1.学习模式 在校学生学习方式：课堂学习+操作实训+网络辅助+标准化试题库考试 网络学习方式：教材自学+按课件学习+网上导学+实训实验+标准化试题库考试2.课程知识学习路径 按知识点渐进式学习：先导课程为激光加工原理、工程材料学等。 3.推荐书籍和参考 （1）郑启光，邵丹编著，激光加工工艺与设备，北京：机械工业出版社，2009,10；（2）刘其斌编著，激光加工技术及其应用，北京：冶金工业出版社，2007；（3）蒙大桥，张友寿，何建军等译，材料激光工艺过程，北京：机械工业出版社，2012,9； （4）现代激光焊接技术，陈彦宾，科学出版社，2010，,10； （5）激光焊接与切割质量控制，陈武柱，机械工业出版社，2010。 五、考核标准 学生学习考核标准请参见本课程资源“考核方案” 一、激光基本原理 1、 LASER 是什么意思 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通过诱导放出实现光能增幅的英语开头字母 2、激光产生的原理 激光――“受激辐射放大”是通过强光照射激光发生介质,使介质内部原子的电子获得能量,受激而使电子运动轨道发生迁移,由低能态变为高能态。处于激发态的原子,受外界辐射感应,使处于激发态的原子跃迁到低能态,同时发出一束光;这束光在频率、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致,此时的光为受激辐射光。 为了得到高能量密度、高指向性的激光,必须要有封闭光线的谐振腔,使观光束在置于激光发生介质两侧的反射镜之间往复振荡,进而提高光强,同时提高光的方向性。含有钕 (ND的 YAG 结晶体发生的激光是一种人眼看不见的波长为 1.064um 的近红外光。这种光束在微弱的受激发情况下,也能实现连续发振。 YAG 晶体是宝石钇铝石榴石的简称,具有优异的光学特性,是最佳的激光发振用结晶体。 3、激光的主要特长 a 、单色性――激光不是已许多不同的光混一合而成的,它是最纯的单色光 (波长、频率 b 、方向性――激光传播时基本不向外扩散。 c 、相干性――激光的位相 (波峰和波谷很有规律,相干性好。 d 、高输出功率――用透镜聚焦激光后,所得到的能量密度是太阳光的几百倍。 二、 YAG 激光焊接 激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功么密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内,在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区,从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。 常用的激光焊接方式有两种:脉冲激光焊和连续激光焊。前者主要用于单点固定连续和薄件材料的焊接。后者主要用于大厚件的焊接和切割。 l 、激光焊接加工方法的特征 A 、非接触加工,不需对工件加压和进行表面处理。 B 、焊点小、能量密度高、适合于高速加工。 C 、短时间焊接,既对外界无热影响,又对材料本身的热变形及热影响区小,尤其适合加工高熔点、高硬度、 特种材料。 D 、不需要填充金属、不需要真空环境 (可在空气中直接进行、不会像电子束那样在空气中产生 X 射线的危险。 E 、与接触焊工艺相比 . 无电极、工具等的磨损消耗。 F 、无加工噪音,对环境无污染。 G 、微小工件也可加工。此外,还可通过透明材料的壁进行焊接。 H 、可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接。 I 、很容易改变激光输出焦距及焊点位置。 J 、很容易搭载到自动机、机器人装置上。 第28卷第4期长春理工大学学报 Vo l 128No 142005年12月 Journal of Changchun University of Science and Technol ogy D ec. 2005 收稿日期:2005-08-10基金项目:兵器科技预先研究项目(42001080504 作者简介:宋林森, 男(1975- , 硕士, 讲师, 主要从事激光加工方面的研究工作。 激光焊接的温度场及焊缝残余应力分析 宋林森李占国史国权 (长春理工大学机电工程学院, 长春130022 摘要:激光焊接过程是一个快速不均匀的热传导过程, , 量难以保证。, ANSYS 对焊接结构的温度场及残余应力进行分析, 便于工程应用。 关键词:激光焊接; 温度场; ; 中图分类号::文章编号:1672-9870(2005 04-0024-03 of the Te mperature Envi ronment and the W eldi n g L i n e ′s Re ma i n i n g Stress of the Laser W eldi n g SON G L inSen L I ZhanGuo SH I Guo Q uan (School of M echanical and E lectrica l Engineering, Changchun U niversity of Science and Technology, Changchun 130022 Abstract:The laser welding is a fast and uneven heat cyclical p r ocess . Because of comp lexity of the in 2teractive bet w een laser and material, it is very difficult t o guarantee the quality of the laser welding . The ther modyna m ics model of the laser welding has been set up in this text on the foundati on of the character 2istics and actual p 基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟 基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟 摘要:计算了不同激光功率条件下粉末颗粒到达基底前的温升，并以粉末颗粒到达基底前的温度为初始条件。用生死单元法研究了单通道和多通道激光熔覆温度场。利用熔池的大小和形态，验证了模型的可靠性。结果表明，粉末颗粒的温升与激光功率呈线性关系。单个包层的温度变化是锯齿状的。温升过程近似为直线，温降曲线近似为双曲线。在多通道熔覆过程中，温度场呈微椭圆形。节点上的热循环经过一个逐渐增加的峰值。峰值温度最终趋于稳定。0系列 激光熔覆根据送粉工艺不同可分为两种类型，即粉末预置法和同步送粉法。本发明具有易于自动控制、激光能量吸收率高、无内部气孔的优点。特别是对于覆层金属陶瓷，覆层的抗裂性可以显著提高，并且硬质陶瓷相可以均匀地分布在覆层中。有广阔的应用空间。国内学者利用ANSYS [1-4对激光熔覆过程的温度场和应力场进行了大量的研究工作。目前，利用ANSYS模拟激光熔覆温度场的研究没有考虑激光束与粉末的相互作用。事实上，激光束首先作用于粉末。除了损失的能量，部分激光束被包覆粉末吸收。另一部分通过粉末被基质吸收。除了直接吸收激光束能量，基质还吸收从粉末转移到基质的能量。因此，有必要在仿真前弄清激光能量的分布，使所建立的模型更接近实际，仿真结果更有说服力。本文将粉末在到达基体前吸收能量后的温升作为初始温度场加载到基体上。同时，利用有限元分析软件 ANSYS中的生死单元技术模拟了熔覆单元的生长过程。高斯体热源加载基体吸收的能量，模拟送粉激光熔覆的温度场分布。在此基础上，模拟了多道次激光熔覆的温度场，研究了多道次激光熔覆的温度场。当屏蔽激光时， 1粉末到达基体前的温度为 粉末。它还吸收部分激光能量，从而提高其温度。事实上，粒子直接吸收激光辐射能量并发射辐射能量，而不考虑等离子体的影响(能量密度低于105W /cm2)。在空气中，粉末颗粒也因空气对流而耗散能量，并且颗粒也相互加热。这些能量在总能量中的比例非常小。目前，关于粉体颗粒温升的模型很少。此外，有必要在模型[5]中建立假设条件。为了便于计算，模型中假设: (1)气体-粉末射流中粉末颗粒的体积分数很低，并且受到激光反射、折射、颗粒离子间相互加热和束屏蔽等的影响。可以忽略。(2)粉末颗粒是半径为rP的球体。由于粉末颗粒足够小，它们被认为是能量计算中的一个点。颗粒的导热性是无限的，即粉末颗粒的温度被认为是均匀的，并且在光接收表面和背光表面之间没有差异。(3)粉末颗粒仅吸收光接收表面上的能量，但是外部辐射发生在整个球体的表面上。(4)粉末不吸收来自基质的光反射。基于上述假设，粉末颗粒的温升可以根据颗粒的能量方程来计算。这个方程是一个非线性方程。利用Matlab软件，采用迭代法求解方程。当激光功率P=2 kW时，方程的解在1500 ~ 1600k范围内，因此初始值被设置为t = 1500k，并且通过迭代发现方程的一个实根是t = 1570k。改变激光功率，获得了当光器件激光焊接基础
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