CF/PEEKAZ31B鎂合金擺動激光焊接溫度場仿真分析

龍 祥,張大斌

(貴州大學機械工程學院,貴州 貴陽550025)

0 引 言

碳纖維熱塑性復合材料(CFRTP)和鎂合金由于具有比強度高等優異的力學性能,是輕量化設計的潛在解決方案,也使得兩者的連接在實際工程應用中成為必然[1]。然而,不同的物化性能使得接頭保留較好的結構完整性充滿挑戰[2]。傳統的機械連接和膠接存在應力集中、連接周期長和不環保等問題,激光焊接作為一種具有非接觸式能量輸入、低熱效應、高效率和高靈活性等優點的新工藝,在CFRTP與金屬的連接上有良好的應用前景[3, 4]。

合理的熱輸入是界面形成高質量接合的前提[5]。數值模擬作為一個有效減少成本和節省時間的研究手段,能夠有效監測焊接過程的溫度分布變化,因此,國內外很多學者對激光連接CFRTP與金屬的溫度場進行了研究,例如:JIAO等[6]建立了CFRTP-不銹鋼數值模擬模型,研究了工藝參數對熔深和熔寬的影響。TAN等[7]建立了CFRTP-TC4數值模擬模型,結合試驗,探討了激光工藝參數對接頭強度的影響。

目前,對CFRTP-鎂合金激光焊接的研究較少,主要集中在工藝參數和界面處理對接頭的影響上[8-9],還未見CFRTP-鎂合金激光焊接數值模擬的相關報道。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(1107℃),導致CFRTP-鎂合金接頭的形成對熱量輸入要求更為嚴苛[8]。由于普通激光焊接的功率密度高度集中,導致鎂合金表面材料大量燒損和連接界面的樹脂發生汽化,故本研究將以CFRTP中的一種材料CF/PEEK和AZ31B鎂合金為研究對象,引入擺動激光焊接,以期減少焊接缺陷,并運用COMSOL建立溫度場數值模型并驗證,闡明擺動激光對CF/PEEK-AZ31B鎂合金接頭溫度場的影響,為后續研究提供理論基礎。

1 有限元模型的建立

CF/PEEK與鎂合金的焊接過程中伴隨著復雜的物理和化學變化,在保證計算精度的前提下,提高計算速度,對所建立的瞬態熱傳導模型作如下假設:CF/PEEK和鎂合金均連續且各項同性;忽略界面處的化學反應、攪拌和對流現象;不考慮焊件與試驗平臺的熱傳導。

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CF/PEEK與AZ31B鎂合金進行激光擺動焊接,焊接模式為傳導焊,激光能量加熱金屬,熱量通過金屬熔化樹脂,在外部夾具壓力下實現CF/PEEK與鎂合金在物理和化學尺度上的緊密連接。擺動激光的掃描路徑是由振鏡圓形擺動和焊接頭直線進給運動合成的,如圖1(b)所示。

(a) 焊接原理

為提高計算效率,創建如圖2所示的三維(3D)模型并進行結構化網格劃分,激光影響最大的焊接區域采用正六面體精密網格,最大網格尺寸為0.1mm,過渡區域采用自由網格,遠離焊接區域采用正六面體粗化網格,最大網格尺寸為0.6mm。

圖2 三維模型和網格劃分

1.2 材料的熱物性能

利用合金性能計算軟件JMatPro計算AZ31B鎂合金的熱物性能,計算結果如圖3所示,利用插值函數將該結果導入COMSOL材料屬性進行計算。

(a) 密度隨溫度變化曲線

CFRTP選用短碳纖維聚醚醚酮復合材料(CF/PEEK, PEEK-5600CF30),由于焊接過程溫度變化范圍較小,認為其熱物性參數不隨溫度改變,具體參數見表1。

表1 CF/PEEK熱物性參數

1.3 熱源模型的建立

在該模型中采用熱傳導焊模式,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,p為激光功率,η為材料對激光的有效吸收系數,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為擺動幅度,f為擺動頻率。當A=0mm時,激光為非擺動激光。

1.4 控制方程和邊界條件

實際的焊接過程是典型的非線性瞬態傳熱過程,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為導熱系數,Q為外部熱源。

焊接前,焊件初始溫度與環境溫度都為25℃。焊接過程中,焊件溫度升高促使焊件表面與環境發生輻射換熱和對流換熱兩種熱交換,適當增大換熱系數將輻射換熱耦合到對流換熱中,換熱表達式為:

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,T0為環境溫度。

在焊件的實際裝夾中,接頭界面非完美接觸,存在接觸熱阻。通過查閱文獻和實際試驗分析,設置界面接觸熱導率為11800W·m-2·K-1[11]。

2 仿真結果分析

2.1 模型驗證

采用“熔池形貌對比法”進行驗證。如圖4所示,左側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出;右側為模型橫截面溫度場,認為溫度高于AZ31B鎂合金熔點(650℃)為鎂合金熔池。由圖4可知,模擬熔池輪廓形貌與實際熔池輪廓形貌較為吻合。

圖4 熔池形貌對比圖

圖5 模擬和測量所得熱循環曲線對比

采用“熱循環曲線對比法”進一步驗證該模型的準確性。在CF/PEEK一側距離連接界面0.5mm處設置溫度采集點,使用K型熱電偶采集溫度,對比該點計算熱循環曲線和測量熱循環曲線,如圖2所示,兩者峰值溫度差小于19℃,且變化趨勢基本一致。

通過熔池形貌尺寸對比和熱循環曲線對比,可知模擬結果與測量結果吻合較好,說明所建立的CF/PEEK-鎂合金擺動激光模型計算結果是可靠的。

2.2 擺動激光對溫度場的影響

計算如表2所示工藝參數下的溫度場,對比擺動激光與非擺動激光的計算結果,從能量輸入和溫度分布角度出發,探究擺動激光對接頭質量的影響。

表2 工藝參數

2.2.1 鎂合金表面溫度場

圖6為AZ31B鎂合金上表面焊縫中心處在非擺動激光和擺動激光作用下的溫度場特征圖。由圖可以看出,非擺動激光與擺動激光的溫度場形狀都呈流星狀,移動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大于散失的熱量,與實際焊接過程的溫度分布相符;兩者的不同在于,非擺動激光的溫度場關于焊接方向對稱,而擺動激光的溫度場隨著激光的圓形擺動前進,形狀上并不對稱,并且通過溫度場與圖例色卡對比可以看出,擺動激光作用下的AZ31B鎂合金表面的峰值溫度較非擺動激光作用下的溫度低。其原因為:一方面激光的擺動使得熱量沿著焊縫的寬度方向擴散;另一方面,擺動激光焊接與非擺動激光焊接的激光功率P和焊接速度vw均為600W和6mm/s,且其線能量對于非擺動激光焊接,其熱源移動速度vs即為焊接速度vw,故其線能量為100J/mm,而擺動激光焊接的光斑掃描速度vs由式(4)計算得約為125.66mm/s,則其線能量約為4.77J/mm,意味著焊件單位長度內吸收的熱量減少,故出現擺動激光焊接的峰值溫度低于非擺動激光焊接的這一現象。

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

(4)

為了進一步研究擺動激光與非擺動激光作用下AZ31B鎂合金表面溫度的變化規律,分析如圖7所示的特征點A,得到如圖8所示的熱循環曲線圖。在0～4166ms內,焊件處于激光加熱階段,而后激光離開焊件,焊件開始冷卻并最終降至環境溫度。在非擺動激光的作用下,隨著熱源靠近A點,A點溫度急速升高,當時間為2083ms時,熱源移動至焊縫中心點A,溫度到達最大值3160℃;在擺動激光的作用下,在靠近A點到遠離A點這一時間區間內,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使得激光靠近和遠離A點這一動作重復多次造成的,該現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,還使得擺動激光焊接下的鎂合金表面溫度梯度更小,同時也可看出,擺動激光下的峰值溫度為2180℃,遠小于非擺動激光焊接下的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 接頭上的特征點選取

圖8 AZ31B鎂合金表面焊縫中心點A熱循環曲線圖

2.2.2 界面溫度場

圖9為AZ31B鎂合金—CF/PEEK界面溫度場一段時間內的溫度場變化。界面有效連接溫度區間343～520℃在圖中用黑線標出。由圖9可知:在同一功率和焊接速度的情況下,擺動激光焊接下的界面溫度梯度較非擺動激光更小,溫度場分布更加均勻;擺動激光較非擺動激光界面熔合面積更大,非擺動高溫區域更為集中,雖然非擺動激光焊接滿足了CF/PEEK的熔融溫度條件,但部分區域溫度大于520℃,會造成CF/PEEK的分解,導致焊接過程中氣孔的產生,并降低接頭的有效結合面積,使得接頭強度下降。

圖10為特征點B的熱循環曲線,其曲線特征和趨勢與特征點A基本一致,可以看出,非擺動激光焊接的峰值溫度達到了581℃,高于CF/PEEK的分解溫度,而擺動激光焊接的峰值溫度為461℃,滿足有效連接溫度區間;擺動激光焊接下,由于B點遠離激光直射,較A點對激光的擺動敏感性低,故B點處的溫度非等幅振蕩變化的振幅比A點處的小。

圖10 接頭連接界面焊縫中心點B熱循環曲線圖

2.2.3 截面溫度場

圖11為非擺動激光和擺動激光焊接下的橫截面溫度場圖。在該模擬圖中,用黑色實線標出接頭的有效結合溫度范圍,白色實線表示接頭的結合面。

(a) 非擺動激光

觀察兩者的橫截面瞬時溫度場分布可以發現,在同一焊接速度下,當光斑輻照位置處于焊件長度方向上的中心時,非擺動激光的光斑正好處于焊縫寬度方向上的中心位置,且瞬時溫度場呈中心對稱分布,而擺動激光由于擺動特性,其光斑并不一定處于焊件寬度方向上的中心處,并且其瞬溫度場隨激光的擺動而呈現非對稱的特征。通過觀察圖例也可知,擺動激光下接頭峰值溫度低于非擺動激光的峰值溫度,原因是激光的擺動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。觀察接頭結合面處溫度和接頭有效結合溫度范圍,也可以看出,非擺動激光焊接在接頭結合面處的溫度存在大于CF/PEEK分解溫度的情況,CF/PEEK的分解出現的氣孔會降低接頭的有效結合面積,從而將低接頭強度。

3 結 論

本文通過考慮溫度對鎂合金熱物性參數的影響,并擬合實際的激光熱源移動路徑,建立有限元模型,然后對CF/PEEK-AZ31B激光焊接溫度場進行計算,得到的主要結論如下。

(1) 對接頭AZ31B鎂合金部分進行熔池形貌對比,對接頭CF/PEEK部分進行了熱循環曲線對比,模擬結果與實測結果較為吻合,說明所建立的模型和計算結果是可靠的。

(2) 對比分析了擺動激光和非擺動激光作用下的接頭溫度場特征,結果表明,擺動激光能夠有效提高接頭質量。其原因為:擺動激光熱源的實際運動速度較非擺動激光的小,因此擺動激光的單位長度線能量輸入較非擺動激光的小,故擺動激光可有效降低AZ31B鎂合金表面的峰值溫度,減少材料的燒損;擺動激光焊接過程中,特征點的加熱過程和冷卻過程呈“非等幅振蕩”上升和下降,避免了材料的急冷急熱,使得溫度場更加均勻;同工藝參數下,擺動激光可有效解決非擺動激光焊接導致的接頭連接界面的溫度分布集中造成的CF/PEEK樹脂熱分解這一現象。