采用有限元法对激光钎焊温度场的分析与模拟

作者:李斌;杨志波 刊名:河南科技学院学报(自然科学版) 上传者:张志华

【摘要】采用有限元方法对激光钎焊金刚石温度场进行了研究,根据温度场传导方程、边界条件、初始条件,利用ANSYS软件做出温度场仿真.采用标准热电偶法测量激光钎焊过程金刚石表面的温度,通过实际测得的一些钎焊过程的温度数据与ANSYS软件做出的仿真分析数据对比发现,利用ANSYS软件能够很好地模拟钎焊过程金刚石表面的温度场,为选择激光钎焊工艺参数,获得良好的钎焊质量提供了理论依据,在实际应用中具有重要的意义.

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激光钎焊具备激光加热局部升温快,短时间内合金粉末熔化,激光光斑移开后,熔池快速冷却的特点,可用于开发新一代金刚石工具,成为超硬磨料工具业界的热点问题[1-2].借高温钎焊时钎料在金刚与基体的结合过程中发生如熔融、扩散、化合等有意义的作用,从其本质上改善钎料与磨料、钎料与基体的结合强度,从而进一步的加强磨粒与基体之间的结合强度[3-6].高温钎焊制造的金刚石工具相对于传统的工具有很大的优越性,目前高温钎焊金刚石砂轮主要在真空炉中进行高温钎焊来完成的,但是在实际应用中发现,生产周期长,时间消耗与能量消耗都过多,设备成本也较高,且在较高温度环境中,金刚石有很大的热损伤几率,真空炉本身的炉腔尺寸也限制了磨料工具的尺寸,另外在承受整体加热时基体的变形不易控制[7].因此,克服这些已知的缺点及限制来制作出更加成功的金刚石工具成为研究的焦点.激光束具有能量密度高、升降温速度快、便于控制、热影响区域小的特点,是一种很好的加热方式,所以激光钎焊成为研究的重点.本文采用理论分析、试验与仿真的方法,在高温钎焊单层金刚石工具、激光快速成形技术和激光钎焊技术深入研究的基础上,利用有限元理论及分析软件分析温度场分布,了解钎焊过程温度分布及变化规律,以期对激光钎焊金刚石砂轮在功率等工艺选择上起指导意义.1激光钎焊温度场的分析理论有限元法(FiniteElementMethod,FEM)也称为有限单元法或有限元素法,其基础就是离散化,其中节点联系于单元与单元之间,通过节点进行计算所需要的参数[8-9].目前,工程界应用比较广泛的有限元分析软件有ANSYS等,ANSYS是美国ANSYS公司研制出的通用分析软件,能够进行包括结构、热、声、流体、电磁场等学科的研究,在机械制造、能源、电子、航空航天、地矿、核工业、铁道、石油化工、汽车交通、国防军工、土木工程、造船、生物医药、轻工、水利等多个领域都有应用[10-11],仿真分析的功能还是十分强大的,基本能够解决激光钎焊所需要的分析问题.1.1激光钎焊过程传热的基本方程激光钎焊金刚石磨粒是利用激光光源局部急速加热到高温,并迅速冷却的过程.随着热源的移动,整个加工区域内的温度随时间和空间急剧变化,再加上材料的热物理性能也随温度剧烈变化,同时还存在熔化、凝固等相变时的潜热现象.因此,激光钎焊温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问题.在复杂的传热过程中,所研究的内容主要是钎料层的温度分布及其随时间的温度变化问题,重点考察激光钎焊过程中钎料层不同区域(未钎焊区域、钎焊区域、己钎焊区域)的温度变化情况.金刚石粒度为40/50目,尺寸:250~300m,金刚石磨粒相对于钎料与基体所占的面积很小,10.6m的CO2激光透过性良好,热导率很高,是Ni-Cr合金钎料的热导率30倍左右,所以在模拟分析过程中完全可以忽略金刚石磨粒对温度场的影响[12].热传导方程可写成以下形式:(1)式(1)中:为物料密度(kg/m3);C为比热(J/kg);T为温度();t为时间(s);Kx,、Ky,、Kz,为各方向上的导热系数(W/m).分析各向同性材料时,各方向上的导热系数是相同的.热传导方程是描述共性导热过程的数学表达式,对于具体问题的温度分布,若表征该特定问题则必须给出定解条件.对于非稳态导热问题,定解条件有两个方面,即给出初始时刻温度分布的初始条件,以及给出导热物体边界上温度或换热情况的边界条件.导热微分方程及其定解条件构成了一个具体导热问题的完整的数学描述[13].初始条件:激光钎焊过程中钎料层表面向环境辐射热,属于第四类边界条件,即给定辐射散热条件:(2)式(

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