基于数学模型的激光焊接工艺下固体中工件温度(3)
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【关键词】
【摘要】(3)导热系数越高的材料如铝等温线就会越圆,且减少了热源之前的温度梯度,如图4a和图4d所示。 (4)增加透穿速度可使等温线更细长,同时增加n-n轨
(3)导热系数越高的材料如铝等温线就会越圆,且减少了热源之前的温度梯度,如图4a和图4d所示。
(4)增加透穿速度可使等温线更细长,同时增加n-n轨迹的滞后,如图4b和图4e所示。
(5)增加热输入或预热,并不会改变等温线的形状,只会增加其大小。这样就扩大了融合区以及热影响区(HAZ)的覆盖面积。
(6)相同条件下,薄金属板引起的热影响区比厚金属板大,同时厚金属板会引起一个较高的温度梯度,如图4c和图4f所示。
4 峰值温度
已知点的峰值温度因经过热源不久而有经验。从式(12)获得的温度分布等温线(温度相同的点的轨迹)来看会很明显(见图4)。在热源的任何位置上,各种温度的等温线都是呈椭圆形。温度较高时其等温线的椭圆尺寸要小一些。任何一条等温线上距x轴(或热源运动线)最远的点均瞬间达到其峰值温度。
利用式(12)就距熔合区的距离来考虑温度,表明薄板(线源)的峰值温度为
厚板(点源)的峰值温度为
式中 e为自然指数,e=2.718 28;Tp为在工件表面与熔合边界距离为Y时的峰值或最高温度;y是到熔合边界的距离。
式(13)、式(14)适用于单程焊接过程并且适用于自身的每一次经过。其可用于估计热影响区的大小以及显示效果上的预热热影响区的大小。从所有参数不变的方程可证明,预热会增加热影响区的大小。此外,热影响区的大小与净能量输入成正比。这样,类似激光焊接这样高强度的过程通常只有一个较小的热影响区。由于用于熔化金属的能量仅集中在一个小区域内,所以高强度能量来源会引起较低的总热量输入。
图4 温度分布
5 冷却率
激光加工时出现的热量和流体流动影响微观结构(通过颗粒结构和形成的相阶进行观察),残余应力(通过不同应力引起的热应力)以及形成过程中的变形。这些反过来也影响机械性能和加工过程。
当材料被加热到足够高的温度时,它的冷却速度决定了它的颗粒结构和形成的阶段。这些反过来影响机械性能,如强度和延展性。如冷却速率高可导致颗粒结构更精细,增加了材料强度,但降低了材料的延展性。但这对铝没有意义,如冷却速度永远是高的。一般来说,就时间而言,通过微分方程式(12)就能获得任何时候任何位置的冷却速度。
在三维情况下,厚材料中心线的冷却速率与初始温度基础上升高度数的平方成正比。
对于薄板,中心线冷却速度由式(16)给出:
图5 冷却速率对透传速度的依赖性和冷却速率方程代表的区域
通过式(15)和式(16)可以得出以下推论:
(1)增加热输入来降低冷却速率,同时提高透穿速度来增加冷却速率。
(2)增加工件的初始温度(或预热)来降低冷却速率,比增加热输入或降低透穿速度更有效。
(3)冷却速率随板材厚度的增加而增加。
(4)传导性越高的材料(如铝),冷却速率越快。
(5)冷却速率随着距焊接中心线距离的增加而下降。
除非考虑到冷却速率随着温度降低而下降并且随着到焊接中心线距离的增加而下降(由式(12)得出)这一事实。否则,最后一点可能不会立刻显现出来。
式(15)和式(16)严格给出了位于平面上匀速直线移动的点或线热源之后的中心线冷却速率,并且是在明显低于熔化温度时的最精确温度下得到的。幸运的是,冶金专业的冷却温度,特别是对钢而言,远低于工件的熔点(Tm)温度,用这些方程式估算的结果是合理准确的。此外,比较中心线的冷却速率与热影响区的冷却速率,前者比后者高出约10%,所以这些方程也很好地代表了冶金行业的区域冷却速率。
6 热循环
图6显示了温度随着距融合边界不同距离的三个时间点的变化而变化,可以通过将τ=ξ/ux带入式(12)求得。这将得到以时间作函数的温度方程。
(1)峰值温度随着离中心线距离的增加而迅速下降。
(2)达到峰值温度所需的时间随着离中心线距离的增加而延长。
(3)加热速率和冷却速率都随着离中心线距离的增加而下降。
由于预测的结果在工件的固体部分更准确,所以认为热流只存在于工件的固体部分。
7 结论
就离焊接中心线的距离而言,随着温度场分布的缩减,材料的冷却速率降低。颗粒生长率依赖于温度场分布。温度的升高增加热振动能,这样会促进小晶粒或粗晶粒边界区原子的净扩散。温度下降减缓了边界区扩散,但不会使它反转。因此,焊接接头的硬度在结合处较高,并随着到焊缝中心的距离而下降。相似或不同的材料其焊缝连接的微观结构可以通过粒子聚结(有时称为奥斯特瓦尔德熟化)而改变,这可以直接与颗粒生长相比较。由于非常高的温度可以易化扩散,并且在过冷范围内,较高的温度会增加冷却速率(驱动力),引起微观结构透过共晶体或共析反应分布,导致沉淀和粗晶粒的形成。焊接线附近区域经历了峰值温度和剧烈的热循环就会产生不均匀塑性变形和残余应力。有关任何固体材料的热流分析模型和结果预测可直接适用于激光焊接过程,但在无熔化发生的区域是有限制条件的。
文章来源:《固体力学学报》 网址: http://www.gtlxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0515/566.html
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