论文总字数：18278字

摘 要

本文借助多物理场建模与仿真软件COMSOL Multiphysics对激光焊接铝合金材料进行理论建模与仿真模拟。通过改变激光参数来对比材料温度场的分布，所得的结果对提高激光焊接质量具有重要的指导意义。

论文主要研究了激光移动速度、功率和照射面积对材料温度场的影响，通过对比分析选择最佳的激光参数。

研究结果表明：物理仿真的几组数据中，当激光移动速度为750 mm/s，功率为200 W，激光光斑直径大小为100 μm的情况下焊接质量最好。

本文的特色：利用阶跃函数来模拟实际情况下的金属材料的熔化过程。

关键词：铝合金；激光焊接；温度场仿真；对比分析

Abstract

In this paper, using multi-physics field modeling and simulation software named COMSOL Multiphysics, theoretical modeling and simulation of laser welding aluminum alloy material are carried out. After comparing the distribution of the material’s temperature field by changing the laser parameters, the results make great sense for improving the quality of laser welding.

The effects of laser velocity, power and irradiation area on the temperature field of the material are studied in this paper, and the best laser parameters are selected through comparative analysis.

The results showed that: among the experimental data, the welding quality was the best when the laser moving speed was 750 mm/s, the power was 200 W, and the laser spot diameter was 100 μm.

Features of this paper: simulating the actual melting process of metal materials by means of step function.

Key Words: Aluminum alloy; Laser welding; Temperature field simulation; Comparison and analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.2国内、外研究现状 1

1.3本文主要研究内容 2

第2章 仿真理论、实验步骤、测试方法 3

2.1激光焊接的仿真理论 3

2.1.1激光照射金属表面的物理现象 3

2.1.2建立激光热传导理论模型 4

2.2.有限元分析 5

2.3稳态研究 5

2.4模型的具体化分析 6

2.4.1物理场的选择 6

2.4.2几何模型的建立 6

2.4.3 COMSOL Multiphysics 中参数设置 7

第3章 激光焊接的仿真结果及讨论 9

3.1边界条件和解析模型 9

3.1.1边界条件 9

3.1.2网格的划分及其无关性验证 10

3.2仿真模拟结果讨论 17

3.2.1温度场的分布 17

3.2.2温度场的变化 18

3.2.3温度场的变化速度 20

3.3影响参数分析 21

3.3.1激光的移动速度 21

3.3.2激光的功率 22

3.3.3激光的照射面积 23

3.4本章小结 24

第4章 结论与展望 25

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

随着社会的发展与进步，人类的生活水平也在不断提升。在日常生活中，人们对产品的要求不再仅仅局限于数量，对质量的要求越来越高，这也就促进了制造业的飞速发展。制造业中必不可少的焊接方面当然也不例外。随着技术发展，人们发现传统焊接方法会产生更大的位移,更宽的热影响区和脆性组织^[1]。而且由于有些情况下会对焊接接头和焊接板尺寸进行限制，从而导致固相焊接的应用受到限制，这就需要熔焊来解决^[2]。于是激光焊接在这个背景下应运而生。20世纪以来，激光是继原子能、计算机和半导体之后人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最精确的尺子”、“最亮的光”和“奇怪的激光”^[3]。而激光焊接是一种利用聚焦的激光束产生的热量将两种材料焊接在一块的新型焊接工艺^[4]。激光焊接的优点相对传统焊接来说在于：操作环境灵活、自动化程度高、精确控制、能量密度高、热影响范围小、残余应力小、焊接深度与宽度比高、焊接变形小、焊缝美观以及效率高等^{[ 5,6,7 ]}。这就使得激光焊接技术在工业领域的应用越来越广泛，尤其是在汽车工业领域的大量应用^[8]。然后又扩展到造船、航空航天、电子、冶金和机械等工业领域^[9]。激光焊接主要分为熔焊和钎焊，二者区别主要在于后者需要在焊缝中填充焊丝^[10]。激光焊接与传统焊接不同，其不仅可以实现不同种类材料的连接，而且还具有许多其他常规熔焊工艺无法比拟的优势。特别是，激光焊接可以连接汽车与航空航天工业中一般焊接难以焊接的薄合金材料。这就使其飞速发展，应用范围也就越来越广。激光加工的另一个有吸引力的应用是利用了激光可以进行局部小范围加热的能力，这使得它非常适合于印刷电路板等电子设备的焊接。激光可以在很小的电子设备区域产生很高的平均温度，而其它的区域基本上不受影响^[7]。因此研究激光焊接是很有必要的，提升激光焊接的可靠性、稳定性以及高效性是目前很多工业所需求的。这对促进我国工业发展有积极的作用。

1.2国内、外研究现状

1960年第一束激光束被制造出来。直到二十多年以后，激光焊接作为一种新技术，在欧美和日本受到了广泛的关注。20世纪80年代中期，大众汽车公司跟国铁森钢铁有限公司进行了合作，在他们的汽车身上成功使用了世界上第一块激光拼焊板。然后到了90年代，欧洲、北美和日本的大型汽车制造商开始在他们的车身制造过程中大量使用激光拼焊板技术。就目前的情况来看，国外发达国家在研究激光焊接技术过程中，更加侧重于对大功率激光器的研究，并且已经取得了非常明显的进展，这也使越来越多的生产领域开展采用大功率激光器，尤其是美国与德国，在大功率激光器研发上取得了一系列的研究成果，并逐渐将大功率激光器进行商品化推广。^[11]现如今，美国已经成功将大功率激光器应用于军舰制造方面，而德国则将大功率激光器应用于对潜艇配件的制造与生产^[11]。

2002年10月，我国由武汉蒂森克虏伯中国激光拼焊公司从德国蒂森克虏伯集团TWB公司引进的国内第一条激光拼焊毛坯专业化商业生产线正式投入使用。次年，由华工激光提供的国内首台大型带钢在线焊接设备通过离线验收，准备投产。2006年，中国科学院沈阳自动化研究所和石川广播重工有限公司进行合作，并且成功地研制出了机器人激光焊接系统，实现了之前很难实现的平面和空间曲线的自动激光焊接。2013年10月，中国焊接专家被授予焊接领域最高学术奖——布鲁克奖。由此可见，我国对激光焊接技术的研究也紧随国外发达国家之后，现如今已经位于世界前列水平，特别是在大功率固体焊接技术的研究上，已经成功解决了在焊接大型构件过程中存在的技术性难题，从而使激光焊接技术能够应用到更广泛的领域^[11]。现阶段，我国在研究激光焊接技术过程中，主要将精力集中在异种金属焊接、多道填丝焊接以及激光热丝焊接等先进的焊接工艺上，通过对这些工艺进行研究，能够进一步推动激光焊接技术的发展与应用。

1.3本文主要研究内容

本文主要研究内容为：焊接参数的设置对激光焊接铝合金薄板的焊接质量的影响。除此之外，激光焊接工艺需要研究的地方还有很多。例如着基层厚度的减小，复合板激光穿透焊接接头的综合耐腐蚀性能逐渐提高^[12]。我们知道熔池的熔宽与熔深会随着激光功率的增大而增加，激光功率过小会导致熔池未通，而激光功率过大会导致底部焊穿^[13]。这就需要我们通过测试找到那个合适的功率范围，从而提高产品的质量，降低原料损耗。激光焊接目前需要解决的问题也有许多。比如焊料存在硫、 碘等杂质过量时，会发生焊接材质的形变，焊接时就有可能发生焊接点受到腐蚀而变质的现象^[14]。又例如铝合金材料的激光焊接，由于铝合金反射率高、焊前预处理要求高、焊缝缺陷原因复杂等原因，导致焊接质量不稳定，可加工性不高^[15]。诸如此类的问题还有不少，所以需要研究来解决它们。

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