激光焊接低碳钢的熔池温度场研究.pdf

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分类号：UDC：密级：亘公珏编号：——激光焊接低碳钢的熔池温度场研究TheResearchofMeltingTemperatureFieldintheLaserWeldingofLow-carbonSteel学位授予单位及代码：量鲞堡王太堂(!Q!墨鱼2学科专业名称及代码：迸堂(QZQ2QZ2论文起止时间：2012．10_-2013．12 IMMgIIIIIIIIIII[IIIIIILlUlIILIIIII长春理工大学硕士学位论文原创性声明～√卿q够本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，《激光焊接低碳钢的熔池温度场研究》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：囵盛羔啦年羔咝日长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文数据库和CNTLI系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：啦出三月婆日导师签名：出羔月望日 摘要由于目前激光焊接这种新型焊接技术普遍的应用在汽车制造业、造船业、塑料加工、航天航空等领域，因此越来越多的人们对其展开了一系列的研究，是一个值得广大学者去研究的一个重要课题。目前人们想用实验的方法去测量激光焊接过程中温度场的分布是非常困难的，在实际生产加工中人们选择激光工艺参数的方法还是通过以往的经验和不断的试验去选择，但是这样不仅不能很有效的选择出最合理的激光与工艺参数而且会是一个巨大的经济消耗。随着现代计算科学技术的日趋完善，可通过先进的计算机技术，对影响激光焊接过程的工艺参数做出定量的分析。本论文通过ANSYS有限元分析软件，对激光焊接过程的温度场进行有限元模拟，并在此基础上进行一些深入研究。本文通过激光焊接对低碳钢的熔池温度场进行全面的分析，利用ANSYS软件的强大功能去实现移动热源的模拟计算，从而得到激光焊接温度场。借助熔池温度场的模拟结果来选择合理的激光工艺参数并讨论其对温度场的影响，为激光焊接在实际工作生产中的应用提供理论指导，对选择最佳激光焊接工艺参数有十分重要的借鉴意义。本论文通过模拟仿真的方法，模拟了激光功率密度和激光焊接速度对熔池温度场的影响规律，通过模拟结果可以看出熔池中心温度与激光功率密度成正比，熔池中心温度与激光焊接速度成反比。关键词：激光焊接；数值模拟；温度场；熔池 ABSTRACTThegeneralapplicationoflaserweldinginautomobile-building··industry,ship·-buildingindustry,plasticsprocessingindustry,aviationindustryandetc．hasmadeitaworthresearchingareaandattractedanincreasingnumberpeopletodoresearchinthisfield．Itisverydifficulttomeasurethetemperaturefieldintheprocessoflaserwelding．Intheactualproduction，peoplechoosethelasertechnologicalparameterjustaccordingtotheirOVl，TIexperienceorthroughtrial．ThismethodisnotonlyineffectivebutCancauseahugeeconomicloss．Withthedevelopmentofcomputerscience，computertechnologycarlbeusedtodoquantitativeanalyzeoftechnologicalparameterintheprocessoflaserwelding．ThisarticledoesaFiniteElementAnalysisoftemperaturefiledintheprocessoflaserwelding．InthispaperatemperaturefieldintheprocessoflaserweldingCallbefoundthroughacomprehensiveanalysisoftheinfluenceoflaserweldingonmoltenpool’Stemperaturefieldofthelow-carbonsteel，andtheANSYSsoftwarewhichusedtogetthenumericalsimulationofmovingheatsource．Byusingthisresultareasonablechoiceoflasertechnologicalparametercarlbemade．Thenitsinfluenceonthetemperaturefieldisdiscussed．Thisisofgreatsignificanceandcanprovideaguidetolaserweldingintheactualproduction．Inthispaper,byusingsimulationmethod，laserpowerdensityandtheinfluenceoflaserweldingspeedonthetemperatureofmoltenpoolissimulated．Theresultshowsthatthetemperatureofmoltenpoolisproportionaltolaserpowerdensity,andisinverselyproportionaltolaserweldingspeed．Keywords：laserwelding；numericalsimulation；temperaturefiled；moltenpoolIl 目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．IABSTRACT⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅱl；|录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯III第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．1选题的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2国内外研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31．3激光焊接技术概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．41．3．1激光焊接的基本方法：深熔焊和热传导焊⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41．3．2激光焊接的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5第二章激光与物质相互作用的基础理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。62．1物质对激光能量的吸收与转化的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．62．1．1激光的吸收⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯62．1．2折射率和吸收系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72．2物质光学特性的微观理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．92．3靶材中热传递方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102．4传热学有限元法基本理论及求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1l2．4．1热传导方程、初始条件及边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．112．4．2解析温度场⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．122．5相变理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15第三章低碳钢激光焊接温度场有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯173．1低碳钢激光焊接温度场模拟的意义和历程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯173．2激光焊接温度场数值模拟的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯173．3数值模拟方法的概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯183．4有限元分析软件在温度场分析中的应用和发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯183．5激光焊接温度场模拟存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯193．6开展激光焊接模拟仿真的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20第四章激光焊接熔池温度场模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．214．1理论模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2l4．2激光和材料参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯214．3模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯224．3．1激光焊接参数对熔池温度场的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．224．3．2激光功率密度不变，改变激光焊接速度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．224．3．3激光焊接速度不变，改变激光功率密度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．284．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯34III 第五章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．355．1总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯355．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯35j}[谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．36参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯37IV 1．1选题的背景及意义第一章绪论弟一旱硒陀自20世纪70年代世界上第一台激光器的问世，到目前各种激光器随即问世，其中包括固体激光器，液体激光器，气体激光器，化学激光器、半导体激光器和准分子激光器等。由于激光光束具有很多良好的优点，使其作为一种清洁、可控性强的热源应用到越来越多的行业中，其中包括航空航天业、汽车制造业、电子产业、和医疗设备业等。而金属是当今生活和科学研究中的重要元素，是支持科技发展和生产制造的主要载体。如何改变金属的物理和化学特性，是一项具有重要意义的研究工作。因此激光与金属相互作用的研究具有广阔的前景。也正是因为这点吸引大量学者对其展开了进一步的研究。这也促进了人们对激光技术【1】以及对激光物理学的深入研究和进一步的发展。当使用大功率激光器作用121于靶材表面时，材料表面吸收了相当大一部分的能量，这样就使得整个靶材温度升高，当达到材料熔点时产生熔融现象、最后发生汽化直至最后发生了喷溅等现象。此过程的发生不仅与激光参数有关，还与材料本身的物理特性、化学性、以及外界客观环境条件有着十分紧密的联系。一般说来，当使用不同激光功率对靶材进行辐照时，材料表面会依次发生以下的物理现象：103～104W／cm2104～106W／c小2106～108W／cm2108～1010W／伽2加热融化汽化等离子体激光与物质相互作用时，鉴于材料自身的一些特性，在材料与激光作用的表面会产生一些比如：光的吸收、光的反射和光电效应等值得大量学者深思的现象，从其中我们不难看出物质发生损伤的一个重要原因就是激光与物质相互作用时产生的一系列热效应。众所周知，激光具有高单色性、高相干性以及高亮度等优点，所以当今的激光光源是传统的光源所无法比拟的。其中激光的高亮度性和高稳定性等一系列突出的优点在激光焊接、激光切割、激光医疗、激光打孔等实际生产应用中得到了广泛应用【3，4】。针对激光与物质之间的相互作用过程的研究是激光应用技术中的一个重要基础，同时，很多的激光应用都是基于这个基础研究而发展实现的。如在医疗中，针对激光与生物组织的相互作用的研究，这是一个了解不同的生物组织对不同激光波长的特性的重要技术手段，激光在加工方面，其重要的作用机理就是加工过程中激光与器件之间的作用等。以上都可以归结为当激光光束作用于靶材时，靶材对激光的吸收和反射也包括材料内部因激光作用而发生的结构变化或性能的改变【5-91。在上述大功率激光与物质相互作用时，在激光束与被作用的物体之间有等离子体的存在，它会对激光产生强烈吸收，因此使后续激光能量到达物质会很难，对激光的直1 接作用效果产生了很大影响。为了避免此情况，经过了长期的科学研究研发出了长脉冲激光器。当此长脉冲激光与物质相互作用的时候，长脉冲激光器可以输出很大的能量，但是因为脉冲宽度比较宽，所以作用在物质上的激光平均功率密度并不是很高，因此不会产生等离子体，从而使激光能量可以更多的到达物质。这也就形成了新兴的研究方向。激光辐照靶材为高功率激光束与材料的作用，其过程中靶材升温然后产生熔池，因此，为得到优良的材料性能和材料组织就必须十分准确的得到熔池的温度场。但是由于激光与物质相互作用的过程中出现的熔池的尺寸非常小，很难观察，并且温度极高没有办法直接测量，而且激光的移动速度也非常快，所以激光与物质相互作用的过程中产生熔池的温度场信息想通过实验的方法去获得是十分困难的。由于实验方法存在的种种困难，因此广大学者从理论的角度出发，利用数学物理的方法，来得到激光作用在靶材上时靶材的升温及出现熔池的过程[10,11】。从研究方法不同上我们可以把传热学分为以下几种：数值传热学、分析传热学和实验传热学。近些年来伴随着新型计算机的出现，使得数值计算的方法越来越简单，从而使这种数值计算的方法发展相当迅速。它主要有以下两种优点：成本低以及可以模拟一些比较复杂或者一些较为理想假设过程。目前，国内外的学者大多数是利用数值模拟的方法对激光焊接熔池传热过程进行模拟，并通过模拟结果与实际实验数据作对比，验证计算的结果真实性【12,13】。国内外对激光与金属相互作用的研究较少，尤其对于熔融状态下温度场分布和熔池相变的研究更是稀少。所以，我希望以热传导理论为理论思想，建立二维半无限大固体高斯激光辐照热传导模型，从而可以通过计算获得熔融前后靶材温度场的瞬时变化。并通过对其中温度分布变化和相位分布变化进行详细讨论和数值模拟计算，从而为激光焊接的技术提高和激光损伤的预防提供一定的必要的理论依据、参考数据和技术支持。随着有限元法与计算机技术的发展，如果各种现象能够借助计算机模拟来实现，那就可以通过计算机来确定材料的最佳工艺参数[14,15】。目前越来越多的学者利用数值模拟技术研究激光辐照温度场问题，通过数值模拟人们可以节约大量时间金钱并且取得了很多的成果。特别是较复杂的大型结构。通过总结经验，本文较全面的论述了激光焊接熔池温度场的初步理论，并应用有限元软件ANSYS对激光焊接低碳钢过程温度场进行了数值模拟计算。本文主要有以下几个方面的研究：(1)禾lJ用ANSYS有限元软件对其进行移动热源模拟计算激光焊接熔池温度场。(2)N用数值模拟方法较准确的反映了激光焊接过程中温度场的变化过程。(3)借助温度场的模拟结果通过和实际工艺中的参数作对比研究，选择合理的激光工艺参数并讨论其对温度场的影响。模拟的意义在于为实际工艺参数提供理论依据，提高材料的各项性能，进而达到减少实验工作量的目的，减少大量实验带来的资金耗费。2 1．2国内外研究进展钢材料等一些黑金属的激光焊接技术在20世纪中后期才逐步应用于工业【16,17】。与其他金属材料相比，钢材料有着十分突出的优势，因此在实际生产加工中的应用越来越广泛。激光焊接技术【18】凭借其独特的优势正在一步一步的取代传统焊接工艺，并且可以实现传统加工方法无法实现的问题，不仅推动了工业技术的发展，而且获得了巨大的经济效益。与此同时激光焊接技术成了实现金属结构连接最具有经济优势和技术含量和的焊接方法，把原来根本不可能实现的变成了未来各类金属焊接技术的主要发展方向之一。近年来，随着高功率、优良性能的新型激光加工设备的迅速研发，在国外许多的发达国家，激光焊接技术在实际应用中已经接近实现实用，并准备将一些新型金属材料的激光焊接应用到汽车工业和飞机结构制造工业中【19】。激光焊接技术凭借其优越的性能和独特的方法正在一步一步的取代传统的焊接方法，并可以解决一些传统加工方法无法实现的问题，这样不仅推动了工业的发展，而且可以获得十分可观的经济效益[20-21J。欧洲空中客车公司就是用激光焊接技术取代了原有的焊接工艺生产出A340飞机，使机身的重量比原来减轻18％左右，而且制造成本要不传统工艺节省了近25％。又如，德国奥迪公司同样也是因为成功开发和应用了激光焊接技术使得A2和A8全铝结构轿车问世。在1973年swift．Hookl22J和Giek就开始了对激光焊接温度场进行研究，上世纪80年代初期，Mazumder通过采用有限差分的方法，得到了可用在高斯分布的激光束与物质作用过程中的二维传热模型。在此基础上，Chande和Mazumdert2犯4J又对有限差分热传导模型进行了修正，研究中除了考虑到模型本身的表面对流，辐射，形状等因素以外，还首次考虑了材料的热物理性能随着温度的改变而变化的情况，给出了在移动热源下激光与物质相互作用的三维传导模型。以上是前人利用数值分析技术，做出的一些基础研究。随着科学技术的发展，模拟的研究也越来越深入，复杂，这就必然带来庞大的计算量，计算机模拟，也被人们充分重视起来。早在上世纪50年代就从焊接传热过程开始对于熔池的温度场展开了研列25。2。71，其中苏联的雷卡林院士在D．罗申塞尔(Rosenthal)的研究上对激光焊接过程中的传热问题做了进一步的研究，得到了激光焊接的传热学理论。雷卡林通过传导微分方程，得到在此特定条件下建立的数学模型，从而用来描述焊接温度场的分布特征。2003年，S．M．Chan等人运用激光焊接的方法对同种材料、不同厚度冷轧钢板对接进行了试验，得到了不同厚度比对成形性能的影响，总结出随着厚度率的减小，拼焊板的成形性能会得到提高12引。激光辐照金属靶体，造成靶体辐照表面熔融。这一课题在国内几个大学都取得过 不同程度的研究成果，国内主要有南京理工大学，江苏大学，昆明大学，杭州师范大学，西北核技术研究所，中国科学院力学所，西北工业大学，天津大学激光与电子研究所，西北工业大学凝固技术国家重点实验，四川大学等单位，对该方面做出了大量工作。1998年，南京理工大学的沈中华，陆建，倪晓武，最先根据激光与物质相互作用过程中的能量守恒方程，通过假设的方法选择一种温度场分布形式，使其同时符合数学和物理要求，以此来得到物质熔融前后的熔融界面推进速度和熔融深度变化以及温度分布情况的解析解。再依据焓的平衡方程，考虑倒激光与物质相互作用过程中物质的本身热物性参数的变化情况和相变问题，得到了其熔融阈值与激光持续作用时间和入射激光频率之间的依赖关系【29】。2004年，南京大学的陈陶在陆建教授和倪晓武教授的指导下，对高功率激光与材料相互作用，材料的加热和熔融进行了理论分析和数值模拟。讨论了金属特性以及温度和表面特性对其影响。进而对激光加热时的温度场分布情况、以及加热产生熔融过程等采用隐格式的差分格式的方法进行了数值模拟计算，得出温度场和熔融状态面的图像。2010年，汪吴在许伯强的指导下，针对三种不同的表面张力基于多物理场耦合理论，采用有限元方法，建立了金属材料激光辐照表面的强化数值模型【30．321。对激光作用下材料的温度场进行了数值模拟研究，并且分析了相变硬化区的深度和宽度与激光参数之间的关系；从而得出激光与物质相互作用时产生的熔池的温度场以及熔池的形状。1．3激光焊接技术概述激光焊接技术在当今实际生活应用中有着飞速的发展，由早前的脉冲波形焊接正逐步向连续波形焊接发展，由对薄板使用小功率的激光焊接向对厚板使用大功率的激光焊接发展，由原来只能在单一的工作台上对单一的工件进行加工向同时在多个工作台同时力n--r．多个工件的方向发展，以及由原来的简单焊缝形状向复杂焊缝形状可控制的情况发展，新型的激光焊接设备的出现也使得焊接的选着更加的广泛。因此，很多学者把激光加工与离子束加工和电子束加工并称为新时代最具有竞争力的加工技术【33，341。1．3．1激光焊接的基本方法135I：深熔焊和热传导焊(1)深熔焊就是说用大功率密度的激光器对材料表面进行照射，使其发生熔化、汽化，甚至熔融材料的喷出，由于此类现象的发生材料内部就会形成小孔，通过小孔效应把激光能量送到材料的内部。由于此时光束相对于工件是移动的，小孔在材料中保4 持稳定的移动，随着焊接的进行熔融部分的材料由于温度降低从而发生凝固现象最终形成焊缝。(2)传导焊就是通过热传导方式把能量由表面向内部传递，通过改变激光焊接的工艺参数得到不同参数时的熔池特性。早期的脉冲固体激光器就是热传导焊。1．3．2激光焊接的特点由于经聚焦后的激光束光斑小(0．1-"0．3mm)，功率密度高，比电弧焊(5x102-～104W／cm2)高几个数量级，因而激光焊接具有传统焊接方法无法比拟的显著优点：加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良；残余应力和焊接变形小，可以实现高精度焊接；可对高熔点、高热导率，热敏感材料及非金属进行焊接；焊接速度快，生产率高；具有高度柔性，易于实现自动化。激光焊与电子束焊有许多相似之处，但它不需要真空室，不产生X射线，更适合生产中推广应用。激光焊接实际上已取得了电子束焊接20年前的地位，成为高能束焊接技术发展的主流。1．4本章小结本章论述了课题的研究背景及其意义，并讨论了课题的国内外研究现状，对激光焊接形式以及熔池温度场做了讲述。 第二章激光与物质相互作用的基础理论2．1物质对激光能量的吸收与转化的研究激光与物质相互作用是由于当激光入射到物体时物质吸收和反射入射激光开始的。不同物质有着对激光不同的吸收机制。大体上可以分为以下五种：空穴吸收、逆韧致吸收、多光子吸收、杂质吸收和光致电离这五种类型。当激光入射到各向同性并且均匀的物质时，其中有一部分的能量会被周围的气体和物质表面所反射或散射，进入物质的能量会有一部分被吸收，而其他的则有可能透射过物质继续传播下去。由能量守恒定律可得：反射、吸收和透射光能量之和等于入射激光总能量。对于电介质和金属而言，我们可以用电动力学的理论来计算物质对激光的吸收和反射特性。但实际上物质对激光的吸收和反射数据与材料表面状况、样品纯度、温度等环境状况有关，主要依据实际测量。从微观角度看，激光与物质相互作用实际上是高频电磁场与束缚电子或自由电子之间的相互作用，物质吸收激光能量与其结构和电子能带结构有着密切关系。当激光作用在金属上时金属中的自由电子会发生高频振动，通过韧致辐射过程使部分振动能量转变为向外辐射的电磁波，其余的转化为电子的平均动能，最后转变为热能。激光辐照的定义是：激光作用在材料表面时光能转换成热能并向四周扩散。做近似模拟时我们假设材料为各向同性的均匀物体，材料吸收激光能量之后，其表面和内部发生热流运动，使得材料各处的温度产生不同程度的温度上升。物体温度场的时空变化由材料的形状、材料的热物理性质、激光加载条件、初始边界条件决定的。许多学者用数值模拟【36，37】和解析计算【38,391的方法分别从不同角度进行深入研究。数值模拟方法虽然是比较简单的，但是其计算量却很大。解析计算的过程虽然较为复杂，但是物理概念是非常清晰的。2．1．1激光的吸收当激光辐照靶材表面时，会有以下三种情况发生：反射、吸收、和继续透过材料传播。这一过程满足能量守恒定律。反表示入射到物质表面的激光能量，E反射表示被物质反射的激光能量，‰射表示透过物质的激光能量，‰收表示被物质吸收的激光能量，则由能量守恒定律有：Eo=E反射+E吸收+E透射(2．1)上式可变形为：6 卜鲁+警+等铴帆均亿2，式中P尺为反射比，％为吸收比，勺为透射比。当连续激光辐照在金属表面上时，其透射能量几乎为0，即：‰射=0，其入射激光能量被分为两个部分：一是金属表面的反射，二是金属表面的吸收。则(2．2)式可以简化为，=等+等砥帆晓∞2．1．2折射率和吸收系数在同一束激光的作用下，同一种材料的不同表面或者不同材料的吸收率和反射率是不一样的。通常在光亮的金属表面材料对激光的吸收率很差。对于此问题人们经过多年研究得出：除取决于物质本身的特性以外，材料表面状态、材料的温度、以及激光的波长也对其吸收率有着十分重要的影响。激光波长越长，吸收率越低；材料的温度越低其吸收率越小。当光波在没有电的以及各向同性的导电物质中传播的时候，符合麦克斯韦方程组。从麦克斯韦方程组出发可得妒云一％詈_‰警=o(2．4)式中丘为激光在介质中的电场强度，‰是自由空间的介电常数，／ao为磁导率，占，为介质的相对介电常数，仃为介质的电导率。现考虑沿X轴方向传播的平面电磁波，取丘的一个分量E∥其表达式为Ey=eoexp[ito(t一二)】(12．5)式中厶为振幅，∞为角频率，y为平面波沿X方向传播的速度。将(2．4)代入(2．5)式得j【_：风占，占。一—to'／—ao(2．6)由于光波在介质中的传播速度v等于c／n，c是真空中的光速，N是介质的折射率，所以 Ⅳ2=C2(占，一旦)‰鳓嬲0显然，当仃≠0时，N为复数，设N=刀一f上式代入(2．5)得，：E。i舀o(tEEexp[iog(t一竺)】eXp(一堕)，=o一=)】eXp(一竺)fC有此可得，光波以c／n的速度沿x方向传播，折射率，k为表示能量衰减的量。所以，：厶exp(一竺)I=loexp(一ax)(2．7)(2．8)(2．9)振幅按eXp(一生)的形式下降。n是C(2．10)(2．11)口为介质的吸收系数，将(2．10)和(2．11)相比，可得吸收系数：口一堡一掣(2．12mm)口一——一——【r2)C以式中旯为自由空间中光的波长。由于古=7N2=掣C=等一掣Cy‘C‘。C‘‘由以上公式求解方程组得冉扣1+(1+研0．2)1，2](2．13)(2．14)如扣1_(1+蕊0-2)l／2](2．15)式中的物质系数都是对同一个频率而言的，都是频率的函数，这说明材料为具有非导电性，没有吸收，材料为透明状，对于一般半导体，折射率一般为3．4．材料的吸收系数与材料本身有关外，还随着光的波长而变化。在金属和半导体中，波的振幅随着透入的深度而减小，即存在光吸收。当激光以90度角入射到平板材料的时候，激光的反射LLp月为p。：坠垩墨(2．16)瓜2斋商旺_∽对于不透明的材料有口。：—』I(2．17)％2而而i眨。 2．2物质光学特性的微观理论我们知道在经典电磁理论中是把物质的光学特性n和K看成常数的，并且和电学特性占和仃紧密相关。实际上，电介质的折射率n是具有色散特性的，因此与波长是相关的；还有一些电介质是具有共振特性的；除此之外高温之下金属的反射率会随着温度的变化而降低等。以上种种现象无法用经典电磁理论来解释，因此必须寻找更加精确的微观模型，并研究n、K与物质结构特性的关系【401。物质的吸收光谱是受吸收系数口和光频决定的，r和CO的关系同样可以表征吸收光谱的结构。考虑到入射电磁波会对物质中的电荷产生响应，电荷以自由电子的形式存在于金属中，会对电荷产生束缚的效果，但是在半导体中同时存在二者。令X是质量为m的电荷的位移量，因此牛顿定律对其给出方程为：trff+凡+Gx=eEoexp(irot)(2．21)其中：，F是衰减常数，e是电荷常量，G是回复力。这个模型表达出的意义是：电介质中束缚电荷的运动是一个阻尼受迫振子，在金属中的运动方式是自由电子的衰减，y～=尝代表位移振幅增大常数或者时间的衰减。就金属来看，y代表自由电子的，厉碰撞频率。‰=1／兰代表振子共振频率，式(2．21)的右边表示入射激光电场对电荷的作Ym用外力。我们可以把x的受迫运动解这样写出来x。exp(i耐)，所以我们可以得出振幅的表达式e1‰2i虿2_而0)2(2．22)我们设想在单位体积介质中有N个电荷，利用数学方法计算出复介电常数善或复折射系数h的一般关系式为舍=≤(赢)2=O一甜=1+4rd’N(2．23)极化率尸=Pk／Eo=(e2／m)／／(r-o；一国2+f膨)，因此z⋯Io^A¨丝m斋4-Jg)I打12一打)2r1，22，'⋯．4ff．Ne2y舀。劢肛了面jF万2,2聊【簖一国2J‘+∞29(2．24) 由于在金属中没有束缚电荷的存在，G=0，所以不存在吸收峰或共振频率，COo=0。方程(2．21～2．22)式中e改为电子电荷一e，。我们假设自由电子是不受阻尼影响的，取y≈0，从而(2．23)式可以导出介电常数为E=r／2：1一氅COpe(2．25)公式中国胆：√型是电子在晶格间作静电振荡的固有频率，通常与波长很短的‘Ym相对应。X黼co,J、于％时，占为负，金属表现出的特性为全反射；彩≥％时，占为正，金属与电介质相类似，具有透明的性质。因为电流强度，=o'Eo：一Nejco，可以得到负电导率盯：羔，所以Durde理朋I，，+z国J论的公式：／12一K：：1—1与y‘+CO‘2一南(2．26)(2．26)式代表当国2>雠一y2)时，介电常数：占=刀2+K2为正，金属发生了由光学特性向电学特性的转变的性质。衰减时间y为常数，可以测量材料的直流电导率吼得孙y=岳。这里入射光频率国决定了金属的光学特性刀、K，根据国与r％e和y的关系，可得出计算公式算出各波长范围，这里旯和A胆分别是国与％对应的波长。2．3靶材中热传递方式热量传递的方式有三种，即对流、辐射和导热。所谓的导热即为热传导，热传导的意思就是相接处的物体通过各个部分的热量传递发生的现象。导热的现象一般在固体中比较爱发生，在液体中一般发生效果较弱但是也能发生。热传导的基本定律为傅立叶(Fourier)定律。即：10 g，=一A÷(2．27)CⅨ式中g。是X方向上的截面积的热流率，五是材料的导热系数。对流实际上就是热量转移现象。对流传热的基本公式是牛顿冷却公式qt=hAT(2．28)式中g★是k方向上单位表面积的热流率，△丁是流体温度和物体表面温度差。h是对流换热系数。由物体表面直接向外界发射可见和不可见射线，在空间传递能量的现象称为热辐射。热辐射与对流和导热在传递能量时是不相同的，热辐射不需要物体之间相互接触，因此它是以一种非接触的方式去传递能量的，热辐射还有一个特点就是当在传递能量的过程中会伴随着其他形式能量的变化形式，就是我们所说的辐射能和热能之间的转化。在实际应用中人们遇到的通常都是物体之间相互辐射，这就会使得热量从温度较高的物体向温度较低的物体发生转移。这种通过物体表面间不接触但是发生热量转移或者与周围环境间发生辐射从而交换热量的现象就是辐射换热。热辐射的一个重要的基本定律是stefan．boltzmann定律：q，=傩协4一巧)(2．29)式中T为材料表面温度，￡为环境温度，g，为辐射换热的热流密度，盯为波尔兹曼常数，占为表面辐射率。热量传递通常是三种形式通过复杂的组合同时出现的。这三种形式对于靶材温度场的时空温度场都存在不同程度的影响，在模拟中，热对流和热辐射对于最终结果影响很小，可以忽略，在加热过程中，只考虑导热的存在。2．4传热学有限元法基本理论及求解2．4．1热传导方程、初始条件及边界条件当激光作用于靶材时，其对光能的吸收是在一定区域内进行的，并转换为热。热量通过热传导的方式扩散，这就形成了温度场，因此会使材料的形状发生一系列的变化。三维直角坐标系下，对于各向同性的均匀材料，热传导偏微分方程的一般形式：心詈=昙(K罢)+昙卜等]+尝(K警)+鲰拂硝)c230， 式中P是材料密度，T为温度，C为(定压)比热，t是时间，Q是材料单位时间单位体积的发热量，K是材料导热系数。这里我们取Q=o因为一般不存在体积热源在激光加工中。材料表面对激光的吸收，称为表面热源，激光的作用按边界条件处理。K为常数，当温度与位置不变的情况下，热传导方程可简化为∥鲁=丢(K警)+专卜号)+昙(K暑)c2m，为计算固体热传导方程的唯一解，需要给定出解条件，即：初始条件和边界条件，与微分方程共同求解。初始条件及靶材的加工前温度分布，是计算温度的起始点，表示为：T，=0=死Tr-0=ro(x，Y，z)(2．32)瓦表示初始温度均匀分布，瓦b，Y，z)表示为一个不均匀温度分布。激光作用在靶材表面时，常考虑的边界条件为：热流密度、对流和热辐射。这里只考虑热流密度的影响。IIII量在表面很薄的一层被吸收，做表面热源处理：一七譬lr=9G，少，列)(2．33)式中k为热导率，r为激光辐照的边界，n表示边界11的外向反向方向列向量，q(x，Y，z，r)表示边界r上的激光热流。2．4．2解析温度场2．4．2．1半无限厚物体的温度场假tt被加热靶材只存征半至1日Jx≥0，尢为迈处温升趋逝于苓。芍愿一维情况卜，垂直入射激光辐照整个靶材表面x=O，光强均匀分布，Io=常数。入射表面x=O并绝热。I、激光深层吸收，阶梯时间波形聃，=华廊c击，一半P一+10-万R)Ioexpk2肌似>咖卜4-5；一赤)(2“)+百0-R)Ioexp仁2历+似b(口4-51+盍)12 误差函数为约rG)=每fP。2ds，余误差函数P咖G)=1一P矿G)，积分余误差函数√刀孟一ierfc(s)=，Pryc(s炳2、激光表层吸收，矩形时间波形，脉冲宽度fpr(x，f)=(2．35)半厕(盍卜p半厕㈢一师P爿南卜p@36’对应的表面温度为：丁(0，，)=半厚小。半悟厚卜pQ37’3、激光的表层吸收，瞬时的作用波形当激光脉冲，p专0，但激光能量密度印p专厶，T(x，f)：T4DAJoP一，2蛔，f>o(2．38)K～两当瞬间跃迁值为最高时面温度在t--O时，然后与√f成反比的发生下降。我们可以近似的根据吸收深度万=1／口来估算其表面的最高温度，约为刎So／pc。4、激光表面的吸收，激光时间波形是连续函数B(t)，依照Duhamel积分定理和瞬间作用解可得丁蚺面x／-DAIo喜堑掣以汜39，考虑圆柱面的二维现象，就是当x=O表面光斑上的激光强度分布与光束的轴向旋转是相互对称的，靶材的温度场也随着光强场对X轴旋转对称。坐标点与X轴距离为，=√x2+y2。5、光强在，．