孟冬冬,伍彥偉,范彩連,蔡　野

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

基于體熱源的激光透射焊接PA66溫度場模擬

孟冬冬,伍彥偉,范彩連,蔡野

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要目前國內(nèi)激光透射焊接溫度場模擬大多采用面熱源,無法考慮炭黑含量的影響。為此,文中使用Ansys的APDL語言構(gòu)建了基于體熱源的三維瞬態(tài)有限元模型,采用該模型對(duì)PA66的激光透射焊接溫度場進(jìn)行了模擬,并將模擬結(jié)果與面熱源下的模擬結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn),由體熱源模型模擬得到的焊縫熱影響區(qū)形貌與實(shí)際熱影響區(qū)形貌較為接近,模型預(yù)測的熱影響區(qū)尺寸也與實(shí)測值保持著較高的吻合度,表明體熱源能較好地表征炭黑含量對(duì)焊接結(jié)果的影響,并在溫度場模擬方面明顯優(yōu)于面熱源。

關(guān)鍵詞激光透射焊接;溫度場;體熱源

Temperature Field Simulation of Laser Transmission WeldingPA66 Based on Volumetric Heat Source

MENG Dongdong,WU Yanwei,FAN Cailian,CAI Ye

(School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212000,China)

Keywordslaser transmission welding;temperature field;volumetric heat source

激光透射焊接是一種新型塑料焊接方式,具有熱影響區(qū)小、外觀質(zhì)量好、焊縫精密、牢固、密封性好,振動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn),在微電子制造、生物醫(yī)學(xué)植入體、汽車、包裝等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。激光透射焊接原理如圖1所示,透光層材料和吸收層材料在夾緊力作用下搭接在一起,激光束穿過透光層材料,被吸收層材料吸收進(jìn)而轉(zhuǎn)化為熱量,將界面附近的上下層材料熔化,熔化區(qū)域冷卻后上下層材料即在接頭處形成連接。

圖1　激光透射焊接原理圖

激光透射焊接實(shí)驗(yàn)研究對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有直接指導(dǎo)意義。然而,純粹的實(shí)驗(yàn)研究不僅耗時(shí)耗力,且實(shí)驗(yàn)過程中激光的輻射、塑料的燃燒分解等會(huì)對(duì)人體健康造成威脅。此外,實(shí)驗(yàn)條件的限制也使得許多研究無法從實(shí)驗(yàn)角度開展。相比之下,數(shù)值模擬可較好地彌補(bǔ)以上不足。因此,在激光透射焊接研究中得到了廣泛應(yīng)用。其中,溫度場模擬作為激光透射焊接數(shù)值模擬的重要環(huán)節(jié),不僅可得到焊接過程中的溫度場,預(yù)測焊縫形貌和尺寸,也為后續(xù)應(yīng)力場模擬、熱降解模擬等打下基礎(chǔ)。除了激光功率、焊接速度、光斑直徑之外,炭黑含量也是影響焊接溫度場的一個(gè)重要因素。隨著吸收層材料中炭黑含量的增加,材料對(duì)激光的吸收逐漸由體吸收轉(zhuǎn)化為面吸收,焊接溫度場也隨之變化。目前為止,國內(nèi)溫度場模擬大多采用面熱源,無法考慮炭黑含量的影響。為此,本文基于Ansys軟件,通過一種簡單的分層施加方式,構(gòu)建與吸收層材料相匹配的體熱源來考慮炭黑含量對(duì)焊接溫度場的影響,并將模擬結(jié)果與面熱源下的模擬結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行對(duì)比。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

本文采用Dilas公司生產(chǎn)的Compact130/140 型半導(dǎo)體激光器進(jìn)行激光透射焊接實(shí)驗(yàn),采用基恩士VHX-1000C型超景深電子顯微鏡對(duì)焊接試樣的焊縫橫截面進(jìn)行觀測。實(shí)驗(yàn)所用的PA66片材規(guī)格為20 mm×20 mm×1.5 mm,由PA66顆粒直接注塑成形[3]。其中,透光層材料為純PA66,吸收層材料則含有0.2 wt%的炭黑。注塑所用的母材顆粒型號(hào)為Zytel 101L NC010,由杜邦公司生產(chǎn)。注塑成型后,裁剪片材成所需尺寸,進(jìn)行削邊處理以盡量保證試樣表面平整。隨后,使用酒精在超聲波清洗機(jī)中清洗20 min,晾干后在25 ℃、相對(duì)濕度20%的環(huán)境下保存。

2溫度場模型的建立

本文在建立溫度場模型時(shí)作了以下假設(shè)和簡化:不考慮上層材料對(duì)激光的吸收,直接以到達(dá)下層材料上表面的激光為基礎(chǔ)進(jìn)行熱源模型的構(gòu)建;假定到達(dá)吸收層上表面的激光功率密度服從高斯分布;假定材料屬性各向同性;假定上下材料在搭接界面處理想接觸。

2.1　建模參數(shù)

(1)PA66熱性能參數(shù)。PA66熔點(diǎn)為262 ℃,模擬中固態(tài)和熔融態(tài)PA66的密度、比熱容和熱傳導(dǎo)率取不同值,如表1所示。其中,固態(tài)和熔融態(tài)PA66的密度,熔融態(tài)PA66的比熱容和熱傳導(dǎo)率由原料物性表中獲取。

表1　PA66物性參數(shù)

(2)吸收系數(shù)。模擬中所采用的吸收系數(shù)通過模擬和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比來獲得?？紤]到含碳量高于0.02 wt%時(shí),吸收系數(shù)基本不再隨溫度變化[4],本文模擬中下層材料對(duì)應(yīng)的吸收系數(shù)最終取為5 800 m-1。

經(jīng)過對(duì)以往地鐵車站滲漏現(xiàn)象的深入研究，總結(jié)出主體結(jié)構(gòu)滲漏包含以下因素：（1）材料因素：車站在施工期間，防水混凝土的配比、抗?jié)B指標(biāo)都沒有達(dá)到試驗(yàn)配合比的要求，同時(shí)，在修建期間，防水材料變化多樣，采用了多種防水卷材，具體滲漏表現(xiàn)形式?jīng)]有規(guī)律性，導(dǎo)致車站內(nèi)出現(xiàn)大面積滲漏問題；（2）施工因素：在車站施工期間，防水及混凝土工程施工的主體結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)混凝土漏振、振搗不密實(shí)、過振現(xiàn)象，同時(shí)，澆筑前期，沒有嚴(yán)格對(duì)鋼筋網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行雜物清理，存在保護(hù)層厚度不足等問題，最終在混凝土中形成過水通道。

(3)其他參數(shù)。體熱源的構(gòu)建需要確定激光器效率、K9玻璃和上層PA66透射率及下層PA66反射率。激光器效率η等于實(shí)際功率與名義功率之比,通過加拿大Gentec公司的UP55N-300F-H12-D0型激光功率計(jì)測量,約為0.92;K9玻璃透射率Trg、上層PA66透射率Tr及下層PA66反射率θr均由美國Varian公司生產(chǎn)的Cary 5000型紫外-可見-近紅外吸收光譜儀測得,其值分別為91.325%、85.78%和3.55%。

2.2　移動(dòng)體熱源的構(gòu)建

(1)吸收層上表面激光功率密度分布。模型假定到達(dá)吸收層上表面的激光功率密度分布如下[5]

(1)

其中,λ為修正系數(shù);R為到達(dá)吸收層上表面的光斑半徑,經(jīng)感光紙測得R=1mm;x,y為吸收層上表面光斑內(nèi)各點(diǎn)相對(duì)于光斑中心的坐標(biāo)值;A為能量系數(shù),由式(2)計(jì)算得到;Pa為到達(dá)吸收層材料上表面的激光功率,由式(3)計(jì)算得到。式(1)也是本文對(duì)應(yīng)的面熱源建模公式

(2)

式中,σ指透過上層材料后的光斑區(qū)域,近似為R=1 mm的圓。經(jīng)計(jì)算得到,A值大小約為1.60

Pa=PEηTrgTr(1-θr)

(3)

其中,PE為名義功率;η為激光器效率;Trg為K9玻璃的透射率;Tr為上層PA66的透射率;θr為吸收層PA66上表面的反射率。

(2)移動(dòng)體熱源的構(gòu)建。激光透射焊接溫度場模擬所采用的體熱源普遍基于比爾-朗伯定律來構(gòu)建

I(z)=I0e-kz

(4)

其中,I(z)為激光沿材料厚度方向變化的功率密度;I0為到達(dá)吸收層材料上表面的激光功率密度;k為吸收系數(shù),與炭黑含量直接相關(guān);z為吸收層材料某位置距其上表面的深度。本模型中體熱源用熱生成率的逐層施加來表示[6],對(duì)于每一層單元而言,比爾-朗伯定律可表示為

Iout=Iine-kΔz

(5)

其中,Iin為該單元上表面處的激光功率密度;Iout為該單元下表面處的激光功率密度;Δz為單元厚度。由此,便可計(jì)算出每層單元對(duì)應(yīng)的熱生成率

(6)

使用Ansys的APDL語言編程得到每一層單元對(duì)應(yīng)的熱生成率,然后將其分別施加到對(duì)應(yīng)的單元節(jié)點(diǎn)之上,用離散的節(jié)點(diǎn)吸收來近似替代該單元體沿厚度方向?qū)す獾奈?。如此循環(huán)往復(fù),直至到達(dá)某一深度時(shí),激光功率密度已經(jīng)衰減至初始值的1%以下。與此同時(shí),編程使得光斑中心沿焊接方向按既定速度移動(dòng),便可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)體熱源的加載。

2.3　有限元模型的建立

上下層材料搭接部分的完整建模尺寸均為20mm×20mm×1.5mm。鑒于有限元模型和熱源模型的對(duì)稱性,僅建立一半模型求解,但計(jì)算時(shí)間仍然過長。為在不影響模擬結(jié)果的前提下,最大限度的縮短計(jì)算時(shí)間,最終采用上板模型尺寸4mm×5mm×0.9mm,下板模型尺寸為4mm×5mm×1.5mm。

隨后,采用Solid70熱分析單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于在靠近熱源處溫度梯度較大,而遠(yuǎn)離熱源處溫度梯度較小,模型在靠近熱源處網(wǎng)格劃分較細(xì),而遠(yuǎn)離熱源處網(wǎng)格劃分較為稀疏。模型邊界施加對(duì)流邊界條件,對(duì)流系數(shù)為5W/(m2·K)[7]。由于激光透射焊接中熱輻射對(duì)溫度場的影響微弱[8],且模型采用的是攝氏溫度,因此未考慮熱輻射的影響。

3模擬與實(shí)驗(yàn)

分別在功率P=6W、P=7W和P=8W下進(jìn)行激光透射焊接模擬與實(shí)驗(yàn),并將模擬得到的熱影響區(qū)形貌、尺寸分別與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。焊接實(shí)驗(yàn)中,其他參數(shù)保持不變,夾緊力F=15.4kg,焊接速度V=5mm/s。由于焊縫觀測時(shí),熱影響區(qū)邊界是通過材料熔化部分和未熔化部分光學(xué)屬性的差異來確定的,因此本文將PA66的熔點(diǎn)作為熱影響區(qū)的溫度邊界。

4模擬結(jié)果與分析

4.1　不同功率下的焊縫溫度場結(jié)果

圖2為Time=0.8s時(shí),P=6W、P=7W和P=8W下焊縫縱截面的溫度場云圖,此時(shí)焊縫溫度場已進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。模型邊界溫度與環(huán)境溫度基本一致,說明該模型尺寸不會(huì)對(duì)模擬結(jié)果帶來明顯影響?？煽闯?隨著激光功率P由6W增至8W,焊縫區(qū)域最高溫度也由365.247 ℃升至473.388 ℃,且每個(gè)功率下焊縫最高溫度始終出現(xiàn)在焊接界面以下的下層材料模型中。此外,沿激光移動(dòng)方向(Y向),焊縫最高溫度所在位置(Y=3.2mm處)稍微滯后于光斑中心位置(Y=4mm),這是因激光光斑有一定大小,當(dāng)光斑中心移動(dòng)到下一個(gè)位置時(shí),前面的部分節(jié)點(diǎn)仍然處于激光光斑作用范圍之內(nèi),導(dǎo)致任意時(shí)刻焊縫最高溫度總出現(xiàn)在光斑中心點(diǎn)之后。

圖2　Time=0.8 s時(shí)不同功率下焊縫縱截面上的溫度場分布

4.2　熱影響區(qū)形貌對(duì)比

圖3(a)為P=7 W時(shí)的焊縫熱影響區(qū)形貌,圖3(b)和圖3(c)分別為基于式(1)的面熱源和體熱源模型所對(duì)應(yīng)的焊縫橫截面溫度場云圖,其中紅色部分代表焊縫熱影響區(qū)(溫度高于262 ℃的區(qū)域),W代表熱影響區(qū)寬度,Da、Dt分別代表吸收層PA66和透光層PA66的熱影響區(qū)深度。由圖3(a)可看出,吸收層PA66對(duì)應(yīng)的熱影響區(qū)面積遠(yuǎn)大于透光層PA66,這是因吸收層PA66中炭黑含量僅為0.2 wt%,導(dǎo)致激光的吸收模式為明顯的體吸收。因此,絕大部分熱量都集中在吸收層PA66中,僅有很少一部分熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞到上層透光層材料,最終使得上下層材料的熱影響區(qū)面積明顯不均衡。

由圖3(b)和圖3(c)可看出,面熱源下焊縫橫截面處的溫度場在上下層材料中呈對(duì)稱分布;相比之下,體熱源時(shí)吸收層熱影響區(qū)面積遠(yuǎn)高于透光層。將圖3中的圖3(b)、圖3(c)與圖3(a)進(jìn)行對(duì)比,可明顯發(fā)現(xiàn),面熱源對(duì)應(yīng)的熱影響區(qū)形貌與實(shí)際結(jié)果相差較大,而體熱源下的熱影響區(qū)形貌與實(shí)際結(jié)果非常吻合。這說明,當(dāng)在下層PA66中炭黑含量為0.2 wt%時(shí),激光在下層材料中的吸收確實(shí)為體吸收,而本文構(gòu)建的體熱源可較好的表征炭黑含量對(duì)焊縫形貌的影響。

此外,面熱源下焊縫最高溫度已達(dá)到1 381.11 ℃,遠(yuǎn)超過了PA66的熱分解溫度450 ℃;而體熱源下焊縫最高溫度僅為419.63 ℃,高于材料的熔點(diǎn)而低于材料的分解溫度,預(yù)示焊接效果良好。從圖3(a)可看到,上下層PA66在焊接界面處熔合的很好,并未出現(xiàn)明顯的分解燒蝕現(xiàn)象。因此,體熱源下的模擬結(jié)果與實(shí)際情況更加吻合,面熱源在0.2 wt%炭黑含量下已經(jīng)明顯不再適用。

從圖3也可看出,面熱源下焊縫最高溫度出現(xiàn)在焊接界面處,而體熱源下焊縫最高溫度出現(xiàn)在焊接界面下方吸收層材料某一深度處,這也是面熱源與體熱源的一個(gè)顯著區(qū)別。通過提取節(jié)點(diǎn)溫度,得知體熱源下焊縫區(qū)域的最高溫度出現(xiàn)在Z=-100 μm處,即吸收層PA66焊接界面下方100 μm的位置。與此同時(shí),在模擬中還發(fā)現(xiàn),當(dāng)吸收系數(shù)為6 500 m-1時(shí),焊縫最高溫度出現(xiàn)在Z=-90 μm處。這說明,炭黑含量不僅影響著焊縫最高溫度及焊縫形貌,也影響著焊縫中最高溫度出現(xiàn)的位置。

圖3　焊縫橫截面熱影響區(qū)形貌

4.3　熱影響區(qū)尺寸對(duì)比

圖4(a)為Time=0.8 s時(shí)的體熱源模型中,焊接界面上沿焊縫寬度方向的溫度變化曲線(Z=0,Y=3.2 mm),據(jù)此可以確定焊縫熱影響區(qū)寬度W;圖4(b)為Time=0.8 s時(shí)體熱源模型沿材料厚度方向的溫度的變化曲線(X=0,Y=3.2 mm處),據(jù)此可得到上下層熱影響區(qū)深度Dt和Da。

圖4　Time=0.8 s時(shí)體熱源模型沿不同路徑下的溫度曲線

表2為P=6 W、P=7 W和P=8 W下的焊縫熱影響區(qū)尺寸測量值與體熱源下模擬值的對(duì)比。從表2可看出,模擬得到的Da、Dt和W能同時(shí)與實(shí)測Da、Dt及W保持較高的吻合度,表明基于體熱源的溫度場模型在預(yù)測熱影響區(qū)尺寸方面,具有良好的可靠性。

表2　不同功率下熱影響區(qū)尺寸測量值與模擬值對(duì)比

5結(jié)束語

本文針對(duì)PA66的激光透射焊接過程,使用Ansys的APDL語言建立了三維瞬態(tài)有限元模型,采用逐層加載熱生成率的方法,構(gòu)建了與下層PA66相匹配的體熱源來考慮炭黑含量的影響。模擬得到了不同功率下的焊接溫度場,并將模擬結(jié)果與面熱源下的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在本文對(duì)應(yīng)的炭黑含量(0.2 wt%)下,面熱源已明顯不再適用;與之相反,體熱源模型對(duì)應(yīng)的焊縫熱影響區(qū)形貌與實(shí)際情況非常貼近,并能同時(shí)對(duì)上下層材料熱影響區(qū)深度、熱影響區(qū)寬度作出較為準(zhǔn)確的預(yù)測,表明體熱源相對(duì)于面熱源具有明顯的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1]劉會(huì)霞,張惠中,季進(jìn)清,等.激光焊接塑料的方法及發(fā)展現(xiàn)狀[J].激光技術(shù),2008,32(2):166-170.

[2]王健超,秦麗明,李姣.PMMA/ABS熱塑性塑料激光透射焊接工藝研究及微觀分析[J].應(yīng)用激光,2008,28(4):287-291.

[3]邢玉清.簡明塑料大全[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2002.

[4]Geiger M,Frick T,Schmidt M.Optical properties of plastics and their role for the modelling of the laser transmission welding process[J].Production Engineering,2009,3(1):49-55.

[5]Acherjee B,Kuar A S,Mitra S,et al.Finite element simulation of laser transmission thermoplastic welding of circular contour using a moving heat source[J].International Journal of Mechatronics and Manufacturing Systems,2013,6(5):437-454.

[6]Van De Ven J D,Erdman A G.Laser transmission welding of thermoplastics—Part I:Temperature and pressure modeling[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,2007,129(5):849-858.

[7]Mayboudi L S,Birk A M,Zak G,et al.A 3-D thermal model for spot laser transmission welding of thermoplastics[J].Welding in the World,2007,51(1-2):74-78.

[8]Kneip J C,Martin B,Loredo A,et al.Heat transfer in semi-transparent materials during laser interaction[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,155:1805-1809.

作者簡介:孟冬冬(1988—),男,碩士研究生。研究方向:激光透射焊接數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275219);江蘇省高校自然科學(xué)研究面上基金資助項(xiàng)目(14KJB460006)

收稿日期:2015- 06- 02

中圖分類號(hào)TN249

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)01-017-05

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.005