铝合金激光焊温度场计算及测试

李建龙 钟恩松

铝合金激光焊温度场计算及测试

李建龙 钟恩松

(郑州铁路职业技术学院，郑州451460)

根据二维瞬态温度场模型，针对铝合金激光焊得出温度梯度解析式。对激光焊接工艺参数峰值功率、焊接速度、离焦量三因素进行正交试验，得出最佳工艺参数。在最佳工艺参数条件下，采用Matlab公式，计算出温度梯度曲线。结果表明，随着与焊缝中心距离的增大，瞬态温度逐渐降低。采用温敏试纸对焊缝周围进行温度测试，测试结果与理论计算结果一致。

激光焊 温度场计算 温度测试

0 序 言

铝合金由于密度低、比强度高、断裂韧性好、成形工艺性和耐蚀性良好等特点［1－3］，成为航空航天工业、汽车行业、电子、五金及造船等行业中使用最为广泛的材料。按照内部合金成分，铝合金分为很多系列，每个系列的焊接效果均存在较大差异，用于铝合金的焊接方法有电阻焊、摩擦搅拌焊、氩弧焊及激光焊等［4－6］。其中，激光焊由于热源集中、热影响范围小、易于实现自动化生产等特点，非常适合铝合金焊接生产［7－10］。目前，激光用于铝合金的焊接主要有飞机机翼的焊接、汽车动力电池铝合金壳体的焊接、铝合金汽车车身的焊接等［11－13］。

铝合金应用在高速列车上的车体结构中，可以使得车体整体重量减轻，降低能耗。早在2001年，长春客车厂就建成国内第一条铝合金车体自动化焊接生产线。轻量化是铁路动车发展的一个重要趋势，到目前，铝合金在高速动车上的应用越来越多，在铝合金动车车体上，型材约占车体总量的70%、板材约占27%、铸锻件约占 3%左右［14－15］。

铝合金焊接结构件一般配合不能耐高温的部件使用，如电子传感器或者塑料等。电子传感器或者塑料部件一般对温度非常敏感，在300℃以下即可发生性能上的改变，而铝合金激光焊的热影响无法避免，只能在结构设计过程中，将传感器或者塑料部件与焊缝位置保持一定距离，这个距离目前没有理论及实际的经验指导，通过大量的生产探索费时费力，延长了产品的开发周期。因此，该种工况下对铝合金激光焊接过程的温度场预测十分重要。文中计算铝合金激光焊接过程的瞬态温度场分布，并通过温敏试纸对焊缝周围进行温度测试。

1 铝合金焊温度场计算及测试

1．1 铝的激光焊温度场计算模型

激光焊是通过激光束对材料进行快速加热，使其熔化形成熔池，然后熔池内部耦合，当激光束离开后，熔池冷却凝固形成焊缝，焊接过程包含冶金、力学、热力学等机理。文中从激光焊接铝合金的热力学方面研究，对与焊缝速度成法线方向的焊缝周围进行温度场分布分析，激光焊接铝合金示意图如图1所示。

图1 激光焊接铝合金示意图

激光焊接中，高温等离子体可以认为是一个点状热源，对应于焊缝顶部的半圆区域，其余的能量由小孔壁以及等离子体蒸气柱吸收，这种加热模式看做为热线模型。假定材料热物理特性与温度无关，由叠加原理可将点热源和线热源各自的温度场解析表达式直接相加得到工件的温度场计算式，即某点的温度等于各热源对该点产生的温度总和。因此对于激光焊接条件下的点－线双热源模型，根据二维瞬态温度场的解析式，可知作用于表面点热源的温度为:

作用于表面线热源的温度为:

焊接工件上某点的温度是点热源与线热源对该点共同作用的结果，该点的温度为两者的叠加:

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，高斯功率密度分布为:

式中，κ为热流集中程度系数，分别取1和2;ra为热流分布的特征半径;p为入射激光功率;t为时间;v为工作速度;h为板厚;c为材料的比热容;κ为材料的导热系数;λ为热传导系数;t为激光作用时间。文中重点研究焊缝速度法线方向上的温度分布，即设x为0。

1．2 工艺正交试验

采用光纤激光器对4系铝合金(4046铝合金)进行焊接试验，试件规格为100 mm×50 mm，厚度为0．5 mm。对焊接工艺参数进行优化，达到板材焊透且无明显缺陷的效果。影响焊接效果最主要的工艺参数为激光功率、焊接速度及离焦量(激光聚焦焦点与工件表面的距离)，对这三因素进行正交试验，并且保持其他因素不变。焊接结果的评价标准为焊透即铝合金板材背面有痕迹，外观无明显缺陷。正交试验方案及结果见表1。结果表明当激光功率为400 W，焊接速度为20 mm/s，离焦量为2 mm时，得到焊透的焊缝，并且焊缝表面无缺陷，即该组参数为最佳工艺参数。

表1 工艺正交试验

2 铝的激光焊接温度场计算

2．1 温度场公式计算

根据公式(1～4)，激光焊的温度分布主要与激光功率及焊接速度有关。采用最佳工艺参数，即激光功率400 W，焊接速度20 mm/s，通过Matlab编程计算，得出温度分布曲线，如图2所示。由图2可以看出，在距离焊缝近的区域，温度下降得非常快;离焊缝远的区域，温度下降得非常缓慢。

2．2 实际温度测试

图2 温度分布图

将测温试纸贴在焊缝边上，与焊缝中心位置的距离分别为1．0 mm，1．5 mm及2 mm，如图3所示。测温试纸品牌为thermax，型号为感温贴片，规格为25 mm×15 mm×1 mm，然后进行激光焊试验，当温度试纸变色，对应的温度示数即为工件表面的温度。根据试验结果，与焊缝中心距离为1．0 mm，1．5 mm 及2 mm，对应的温度分别为260℃，200℃和150℃，试验测试结果与二维瞬态温度场公式计算得到的结果基本一致。

图3 测温试纸测试温度

3 结 论

(1)根据二维瞬态温度场的解析式及激光功率密度高斯分布公式，得到焊缝速度法线方向上的温度分布。

(2)对焊接工艺参数进行正交试验，得到最佳工艺参数，即激光功率400 W，焊接速度20 mm/s，离焦量2 mm，在此基础上，计算出温度梯度分布。通过温度试纸进行温度测试，测试结果与计算得到的结果基本一致。

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TG454．7

2017－02－07

李建龙，1982年出生，硕士，讲师。主要研究方向为传动系统控制。