龍 祥,張大斌

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng)550025)

0 引 言

碳纖維熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)和鎂合金由于具有比強(qiáng)度高等優(yōu)異的力學(xué)性能,是輕量化設(shè)計(jì)的潛在解決方案,也使得兩者的連接在實(shí)際工程應(yīng)用中成為必然[1]。然而,不同的物化性能使得接頭保留較好的結(jié)構(gòu)完整性充滿挑戰(zhàn)[2]。傳統(tǒng)的機(jī)械連接和膠接存在應(yīng)力集中、連接周期長(zhǎng)和不環(huán)保等問(wèn)題,激光焊接作為一種具有非接觸式能量輸入、低熱效應(yīng)、高效率和高靈活性等優(yōu)點(diǎn)的新工藝,在CFRTP與金屬的連接上有良好的應(yīng)用前景[3, 4]。

合理的熱輸入是界面形成高質(zhì)量接合的前提[5]。數(shù)值模擬作為一個(gè)有效減少成本和節(jié)省時(shí)間的研究手段,能夠有效監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程的溫度分布變化,因此,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)激光連接CFRTP與金屬的溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究,例如:JIAO等[6]建立了CFRTP-不銹鋼數(shù)值模擬模型,研究了工藝參數(shù)對(duì)熔深和熔寬的影響。TAN等[7]建立了CFRTP-TC4數(shù)值模擬模型,結(jié)合試驗(yàn),探討了激光工藝參數(shù)對(duì)接頭強(qiáng)度的影響。

目前,對(duì)CFRTP-鎂合金激光焊接的研究較少,主要集中在工藝參數(shù)和界面處理對(duì)接頭的影響上[8-9],還未見(jiàn)CFRTP-鎂合金激光焊接數(shù)值模擬的相關(guān)報(bào)道。與不銹鋼和鈦合金等金屬相比,鎂合金具有更高的激光反射率和更低的沸點(diǎn)(1107℃),導(dǎo)致CFRTP-鎂合金接頭的形成對(duì)熱量輸入要求更為嚴(yán)苛[8]。由于普通激光焊接的功率密度高度集中,導(dǎo)致鎂合金表面材料大量燒損和連接界面的樹(shù)脂發(fā)生汽化,故本研究將以CFRTP中的一種材料CF/PEEK和AZ31B鎂合金為研究對(duì)象,引入擺動(dòng)激光焊接,以期減少焊接缺陷,并運(yùn)用COMSOL建立溫度場(chǎng)數(shù)值模型并驗(yàn)證,闡明擺動(dòng)激光對(duì)CF/PEEK-AZ31B鎂合金接頭溫度場(chǎng)的影響,為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)。

1 有限元模型的建立

CF/PEEK與鎂合金的焊接過(guò)程中伴隨著復(fù)雜的物理和化學(xué)變化,在保證計(jì)算精度的前提下,提高計(jì)算速度,對(duì)所建立的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)模型作如下假設(shè):CF/PEEK和鎂合金均連續(xù)且各項(xiàng)同性;忽略界面處的化學(xué)反應(yīng)、攪拌和對(duì)流現(xiàn)象;不考慮焊件與試驗(yàn)平臺(tái)的熱傳導(dǎo)。

1.1 有限元模型的建立

焊接原理如圖1(a)所示,采用搭接的方式對(duì)CF/PEEK與AZ31B鎂合金進(jìn)行激光擺動(dòng)焊接,焊接模式為傳導(dǎo)焊,激光能量加熱金屬,熱量通過(guò)金屬熔化樹(shù)脂,在外部夾具壓力下實(shí)現(xiàn)CF/PEEK與鎂合金在物理和化學(xué)尺度上的緊密連接。擺動(dòng)激光的掃描路徑是由振鏡圓形擺動(dòng)和焊接頭直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)合成的,如圖1(b)所示。

(a) 焊接原理

為提高計(jì)算效率,創(chuàng)建如圖2所示的三維(3D)模型并進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,激光影響最大的焊接區(qū)域采用正六面體精密網(wǎng)格,最大網(wǎng)格尺寸為0.1mm,過(guò)渡區(qū)域采用自由網(wǎng)格,遠(yuǎn)離焊接區(qū)域采用正六面體粗化網(wǎng)格,最大網(wǎng)格尺寸為0.6mm。

圖2 三維模型和網(wǎng)格劃分

1.2 材料的熱物性能

利用合金性能計(jì)算軟件JMatPro計(jì)算AZ31B鎂合金的熱物性能,計(jì)算結(jié)果如圖3所示,利用插值函數(shù)將該結(jié)果導(dǎo)入COMSOL材料屬性進(jìn)行計(jì)算。

(a) 密度隨溫度變化曲線

CFRTP選用短碳纖維聚醚醚酮復(fù)合材料(CF/PEEK, PEEK-5600CF30),由于焊接過(guò)程溫度變化范圍較小,認(rèn)為其熱物性參數(shù)不隨溫度改變,具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 CF/PEEK熱物性參數(shù)

1.3 熱源模型的建立

在該模型中采用熱傳導(dǎo)焊模式,因此選取符合高斯分布的激光面熱源比較適合[10],其熱源公式為:

(1)

其中,

m為熱流集中系數(shù),p為激光功率,η為材料對(duì)激光的有效吸收系數(shù),r為激光的光斑半徑,x(t)和y(t)為激光的掃描軌跡方程,x0,y0為熱源中心初始位置,v為焊接速度,A為擺動(dòng)幅度,f為擺動(dòng)頻率。當(dāng)A=0mm時(shí),激光為非擺動(dòng)激光。

1.4 控制方程和邊界條件

實(shí)際的焊接過(guò)程是典型的非線性瞬態(tài)傳熱過(guò)程,采用非線性傳熱方程為:

(2)

其中,ρ為密度,c為比熱容,T為焊件表面溫度,K為導(dǎo)熱系數(shù),Q為外部熱源。

焊接前,焊件初始溫度與環(huán)境溫度都為25℃。焊接過(guò)程中,焊件溫度升高促使焊件表面與環(huán)境發(fā)生輻射換熱和對(duì)流換熱兩種熱交換,適當(dāng)增大換熱系數(shù)將輻射換熱耦合到對(duì)流換熱中,換熱表達(dá)式為:

qs=hconv(T-T0),

(3)

其中,qs為焊件表面散失的熱能,hconv為總換熱系數(shù),T0為環(huán)境溫度。

在焊件的實(shí)際裝夾中,接頭界面非完美接觸,存在接觸熱阻。通過(guò)查閱文獻(xiàn)和實(shí)際試驗(yàn)分析,設(shè)置界面接觸熱導(dǎo)率為11800W·m-2·K-1[11]。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 模型驗(yàn)證

采用“熔池形貌對(duì)比法”進(jìn)行驗(yàn)證。如圖4所示,左側(cè)為金相顯微鏡拍下的橫截面熔池形貌,其熔合線用黑色線條標(biāo)出;右側(cè)為模型橫截面溫度場(chǎng),認(rèn)為溫度高于AZ31B鎂合金熔點(diǎn)(650℃)為鎂合金熔池。由圖4可知,模擬熔池輪廓形貌與實(shí)際熔池輪廓形貌較為吻合。

圖4 熔池形貌對(duì)比圖

圖5 模擬和測(cè)量所得熱循環(huán)曲線對(duì)比

采用“熱循環(huán)曲線對(duì)比法”進(jìn)一步驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性。在CF/PEEK一側(cè)距離連接界面0.5mm處設(shè)置溫度采集點(diǎn),使用K型熱電偶采集溫度,對(duì)比該點(diǎn)計(jì)算熱循環(huán)曲線和測(cè)量熱循環(huán)曲線,如圖2所示,兩者峰值溫度差小于19℃,且變化趨勢(shì)基本一致。

通過(guò)熔池形貌尺寸對(duì)比和熱循環(huán)曲線對(duì)比,可知模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果吻合較好,說(shuō)明所建立的CF/PEEK-鎂合金擺動(dòng)激光模型計(jì)算結(jié)果是可靠的。

2.2 擺動(dòng)激光對(duì)溫度場(chǎng)的影響

計(jì)算如表2所示工藝參數(shù)下的溫度場(chǎng),對(duì)比擺動(dòng)激光與非擺動(dòng)激光的計(jì)算結(jié)果,從能量輸入和溫度分布角度出發(fā),探究擺動(dòng)激光對(duì)接頭質(zhì)量的影響。

表2 工藝參數(shù)

2.2.1 鎂合金表面溫度場(chǎng)

圖6為AZ31B鎂合金上表面焊縫中心處在非擺動(dòng)激光和擺動(dòng)激光作用下的溫度場(chǎng)特征圖。由圖可以看出,非擺動(dòng)激光與擺動(dòng)激光的溫度場(chǎng)形狀都呈流星狀,移動(dòng)熱源前方的等溫線較密,溫度梯度較大,這是由于熱源前端吸收的能量遠(yuǎn)大于散失的熱量,與實(shí)際焊接過(guò)程的溫度分布相符;兩者的不同在于,非擺動(dòng)激光的溫度場(chǎng)關(guān)于焊接方向?qū)ΨQ,而擺動(dòng)激光的溫度場(chǎng)隨著激光的圓形擺動(dòng)前進(jìn),形狀上并不對(duì)稱,并且通過(guò)溫度場(chǎng)與圖例色卡對(duì)比可以看出,擺動(dòng)激光作用下的AZ31B鎂合金表面的峰值溫度較非擺動(dòng)激光作用下的溫度低。其原因?yàn)?一方面激光的擺動(dòng)使得熱量沿著焊縫的寬度方向擴(kuò)散;另一方面,擺動(dòng)激光焊接與非擺動(dòng)激光焊接的激光功率P和焊接速度vw均為600W和6mm/s,且其線能量對(duì)于非擺動(dòng)激光焊接,其熱源移動(dòng)速度vs即為焊接速度vw,故其線能量為100J/mm,而擺動(dòng)激光焊接的光斑掃描速度vs由式(4)計(jì)算得約為125.66mm/s,則其線能量約為4.77J/mm,意味著焊件單位長(zhǎng)度內(nèi)吸收的熱量減少,故出現(xiàn)擺動(dòng)激光焊接的峰值溫度低于非擺動(dòng)激光焊接的這一現(xiàn)象。

圖6 AZ31B鎂合金上表面溫度場(chǎng)分布圖。(a)非擺動(dòng)激光焊接焊縫中心溫度場(chǎng);(b～f)擺動(dòng)激光焊接焊縫中心處一個(gè)周期T=50ms內(nèi)的溫度場(chǎng)分布

(4)

為了進(jìn)一步研究擺動(dòng)激光與非擺動(dòng)激光作用下AZ31B鎂合金表面溫度的變化規(guī)律,分析如圖7所示的特征點(diǎn)A,得到如圖8所示的熱循環(huán)曲線圖。在0～4166ms內(nèi),焊件處于激光加熱階段,而后激光離開(kāi)焊件,焊件開(kāi)始冷卻并最終降至環(huán)境溫度。在非擺動(dòng)激光的作用下,隨著熱源靠近A點(diǎn),A點(diǎn)溫度急速升高,當(dāng)時(shí)間為2083ms時(shí),熱源移動(dòng)至焊縫中心點(diǎn)A,溫度到達(dá)最大值3160℃;在擺動(dòng)激光的作用下,在靠近A點(diǎn)到遠(yuǎn)離A點(diǎn)這一時(shí)間區(qū)間內(nèi),溫度以非等幅振蕩的形式上升和下降,這是由于激光的擺動(dòng)使得激光靠近和遠(yuǎn)離A點(diǎn)這一動(dòng)作重復(fù)多次造成的,該現(xiàn)象不僅減少了焊件因急冷急熱造成的熱變形和熱裂紋等缺陷,還使得擺動(dòng)激光焊接下的鎂合金表面溫度梯度更小,同時(shí)也可看出,擺動(dòng)激光下的峰值溫度為2180℃,遠(yuǎn)小于非擺動(dòng)激光焊接下的3160℃,峰值溫度的降低有助于減少鎂合金表面材料的汽化燒損。

圖7 接頭上的特征點(diǎn)選取

圖8 AZ31B鎂合金表面焊縫中心點(diǎn)A熱循環(huán)曲線圖

2.2.2 界面溫度場(chǎng)

圖9為AZ31B鎂合金—CF/PEEK界面溫度場(chǎng)一段時(shí)間內(nèi)的溫度場(chǎng)變化。界面有效連接溫度區(qū)間343～520℃在圖中用黑線標(biāo)出。由圖9可知:在同一功率和焊接速度的情況下,擺動(dòng)激光焊接下的界面溫度梯度較非擺動(dòng)激光更小,溫度場(chǎng)分布更加均勻;擺動(dòng)激光較非擺動(dòng)激光界面熔合面積更大,非擺動(dòng)高溫區(qū)域更為集中,雖然非擺動(dòng)激光焊接滿足了CF/PEEK的熔融溫度條件,但部分區(qū)域溫度大于520℃,會(huì)造成CF/PEEK的分解,導(dǎo)致焊接過(guò)程中氣孔的產(chǎn)生,并降低接頭的有效結(jié)合面積,使得接頭強(qiáng)度下降。

圖10為特征點(diǎn)B的熱循環(huán)曲線,其曲線特征和趨勢(shì)與特征點(diǎn)A基本一致,可以看出,非擺動(dòng)激光焊接的峰值溫度達(dá)到了581℃,高于CF/PEEK的分解溫度,而擺動(dòng)激光焊接的峰值溫度為461℃,滿足有效連接溫度區(qū)間;擺動(dòng)激光焊接下,由于B點(diǎn)遠(yuǎn)離激光直射,較A點(diǎn)對(duì)激光的擺動(dòng)敏感性低,故B點(diǎn)處的溫度非等幅振蕩變化的振幅比A點(diǎn)處的小。

圖10 接頭連接界面焊縫中心點(diǎn)B熱循環(huán)曲線圖

2.2.3 截面溫度場(chǎng)

圖11為非擺動(dòng)激光和擺動(dòng)激光焊接下的橫截面溫度場(chǎng)圖。在該模擬圖中,用黑色實(shí)線標(biāo)出接頭的有效結(jié)合溫度范圍,白色實(shí)線表示接頭的結(jié)合面。

(a) 非擺動(dòng)激光

觀察兩者的橫截面瞬時(shí)溫度場(chǎng)分布可以發(fā)現(xiàn),在同一焊接速度下,當(dāng)光斑輻照位置處于焊件長(zhǎng)度方向上的中心時(shí),非擺動(dòng)激光的光斑正好處于焊縫寬度方向上的中心位置,且瞬時(shí)溫度場(chǎng)呈中心對(duì)稱分布,而擺動(dòng)激光由于擺動(dòng)特性,其光斑并不一定處于焊件寬度方向上的中心處,并且其瞬溫度場(chǎng)隨激光的擺動(dòng)而呈現(xiàn)非對(duì)稱的特征。通過(guò)觀察圖例也可知,擺動(dòng)激光下接頭峰值溫度低于非擺動(dòng)激光的峰值溫度,原因是激光的擺動(dòng)使得接頭寬度方向上的溫度分布增多,深度方向上的溫度分布減少。觀察接頭結(jié)合面處溫度和接頭有效結(jié)合溫度范圍,也可以看出,非擺動(dòng)激光焊接在接頭結(jié)合面處的溫度存在大于CF/PEEK分解溫度的情況,CF/PEEK的分解出現(xiàn)的氣孔會(huì)降低接頭的有效結(jié)合面積,從而將低接頭強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)考慮溫度對(duì)鎂合金熱物性參數(shù)的影響,并擬合實(shí)際的激光熱源移動(dòng)路徑,建立有限元模型,然后對(duì)CF/PEEK-AZ31B激光焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算,得到的主要結(jié)論如下。

(1) 對(duì)接頭AZ31B鎂合金部分進(jìn)行熔池形貌對(duì)比,對(duì)接頭CF/PEEK部分進(jìn)行了熱循環(huán)曲線對(duì)比,模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合,說(shuō)明所建立的模型和計(jì)算結(jié)果是可靠的。

(2) 對(duì)比分析了擺動(dòng)激光和非擺動(dòng)激光作用下的接頭溫度場(chǎng)特征,結(jié)果表明,擺動(dòng)激光能夠有效提高接頭質(zhì)量。其原因?yàn)?擺動(dòng)激光熱源的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度較非擺動(dòng)激光的小,因此擺動(dòng)激光的單位長(zhǎng)度線能量輸入較非擺動(dòng)激光的小,故擺動(dòng)激光可有效降低AZ31B鎂合金表面的峰值溫度,減少材料的燒損;擺動(dòng)激光焊接過(guò)程中,特征點(diǎn)的加熱過(guò)程和冷卻過(guò)程呈“非等幅振蕩”上升和下降,避免了材料的急冷急熱,使得溫度場(chǎng)更加均勻;同工藝參數(shù)下,擺動(dòng)激光可有效解決非擺動(dòng)激光焊接導(dǎo)致的接頭連接界面的溫度分布集中造成的CF/PEEK樹(shù)脂熱分解這一現(xiàn)象。