基于ANSYS的真空玻璃激光焊接溫度場分析

劉峻 朱敏紅

摘 要：文章運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS模擬分析真空平板玻璃激光焊接的成型過程，分析真空玻璃激光焊接過程中溫度場的變化狀況，找到了溫度場變化的規(guī)律，即熱源加載完成后，玻璃基材隨熱源升溫的速度非常不均勻，靠近焊料的部分溫度變化較大，遠(yuǎn)離焊料的部位沒有變化，熱量沿垂直玻璃面的Z方向溫度梯度變化較大，且熱量向四周對流散熱量較多，向內(nèi)部傳遞熱量較少。

關(guān)鍵詞：激光焊接；ANSYS；溫度場分析

中圖分類號：TH132 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）03-0001-03

隨著社會的發(fā)展，人們生活水平的提高，真空平板玻璃在建筑物的門窗、溫室等方面的應(yīng)用越來越廣泛?，F(xiàn)有真空玻璃的側(cè)封方法主要有燒結(jié)法和真空袋法。燒結(jié)法是采用較高熔點(diǎn)玻璃粉加熱冷卻方法對真空玻璃進(jìn)行側(cè)封的加工。其主要缺點(diǎn)是制作時(shí)間長、生產(chǎn)效率低、能耗高、鉛含量高、安全性低。真空袋法是在常溫或簡單加熱方式下運(yùn)用膠片對真空玻璃進(jìn)行支撐和封邊。雖然生產(chǎn)效率高，但真空度較低，特別是容易漏氣，產(chǎn)品壽命難以保證。

激光焊接技術(shù)在金屬或非金屬材料的焊接方面運(yùn)用的越來越多，越來越成熟。真空玻璃屬于非金屬材料，所以也能運(yùn)用激光焊接來進(jìn)行側(cè)封。真空玻璃激光側(cè)封能實(shí)現(xiàn)側(cè)封技術(shù)的自動控制，因?yàn)闄C(jī)械手、計(jì)算機(jī)的運(yùn)用能夠?qū)崿F(xiàn)側(cè)封過程的自動加工，能很大程度上提高側(cè)封的效率。

1 真空玻璃側(cè)封裝置

真空玻璃側(cè)封裝置，如圖1所示，由真空玻璃放置爐、真空玻璃加熱平臺、制造真空環(huán)境裝置、激光頭、激光頭操縱控制器等組成。針對現(xiàn)有的真空平板玻璃側(cè)封裝置存在的生產(chǎn)效率低、能耗高、鉛含量高，不便于產(chǎn)品的高效率生產(chǎn)及價(jià)格較高的問題，該裝置將機(jī)械手和激光頭和程序控制運(yùn)用于側(cè)封裝備，改善現(xiàn)有真空玻璃側(cè)封存在的制作時(shí)間長、生產(chǎn)效率低、能耗高的問題，節(jié)省了能耗，降低了污染，減輕了對操作人員的危害。

真空玻璃激光側(cè)封裝置是在放置爐內(nèi)制造真空環(huán)境，加熱平臺實(shí)現(xiàn)側(cè)封部位加熱，通過程序?qū)崿F(xiàn)激光頭操縱控制器的運(yùn)動，激光頭通過放置爐的窗口從真空室外部進(jìn)行側(cè)封。

真空玻璃加熱平臺是在玻璃放置平臺上加裝電熱絲，并有通過自動控制的溫度傳感器測量被加熱玻璃的溫度，用于防止激光焊接時(shí)溫度過高造成玻璃應(yīng)力而破碎的現(xiàn)象。制造真空環(huán)境裝置與現(xiàn)有真空環(huán)境制造裝置相同。

激光頭是適用于非金屬材料激光（玻璃）焊接的激光頭。激光頭操縱器有機(jī)械部分和控制部分組成，其中機(jī)械部分為機(jī)械手，控制部分使激光頭按按程序完成機(jī)械路線運(yùn)動。

真空玻璃激光側(cè)封裝置適用于真空平板玻璃側(cè)封，可以根據(jù)玻璃塊的大小來調(diào)整激光頭得行程來控制不同形狀與大小的真空玻璃的側(cè)封。

同時(shí)，可以根據(jù)不同的玻璃形狀改變激光頭的行程軌跡進(jìn)行真空玻璃的自動控制側(cè)封，能夠在保證側(cè)封要求的基礎(chǔ)上，降低能源的浪費(fèi)，減輕操作人員的疲勞。該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、側(cè)封速度快的優(yōu)點(diǎn)。

2 真空玻璃有限元模型的建立

研究發(fā)現(xiàn)，在影響真空平板玻璃焊接性能的諸多因素中，熱量的輸入是其中的重要因素。實(shí)驗(yàn)證明，輸入的熱量越小，可以精確控制熱源性質(zhì)，相應(yīng)焊接時(shí)的熱影響區(qū)的熱膨脹量就越小，焊接時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力越小，焊接過程中不易產(chǎn)生因受熱不均造成的破碎現(xiàn)象。

ANSYS有限元分析軟件是一種功能強(qiáng)大的分析軟件，融優(yōu)化、結(jié)構(gòu)、熱、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件，可以運(yùn)用ANSYS進(jìn)行真空玻璃激光焊接過程中的溫度場模擬，得到溫度場分布圖，并分析溫度場對焊接性能的影響。用ANSYS軟件對溫度場進(jìn)行瞬態(tài)分析，需要合理定義材料屬性及建立有限元模型。

2.1 材料屬性定義

溫度場計(jì)算屬于瞬態(tài)非線性傳熱問題，需要先給定導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、換熱系數(shù)、密度以及隨溫度變化值。三種材料的材料屬性參數(shù)見表1。

2.2 建立有限元模型

首先，運(yùn)用ANSYS構(gòu)建正方體玻璃板、長方體焊料和圓柱體支撐柱。在建成幾何圖形后，采用等分線方式對幾何模型中的線進(jìn)行合理等分，在完成等分線段后，按照由小到大、由規(guī)則圖形到不規(guī)則圖形的方式對進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時(shí)采用掃略的方式進(jìn)行。完成網(wǎng)格劃分的有限元模型如圖2所示，其中有單元286 666個(gè)；由圖可以看出，距焊料較近處網(wǎng)格、支撐柱周圍部分的網(wǎng)格劃分的比較均勻細(xì)密，而遠(yuǎn)離焊縫處的部分網(wǎng)格劃分較為粗大、較稀疏一些。由于用于分析真空玻璃的模型尺寸較小，適宜采用實(shí)體建模，且模型及計(jì)算量都不是很大，計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)求解，所以選用SOLID70作為熱分析玻璃基材、封邊焊料、支撐柱等組成的有限元模型的分析單元。

3 激光焊接溫度場分析

真空玻璃激光焊接采用的工藝參數(shù)為：激光能量為10 J，脈沖寬度10 ns，光斑直徑2 mm。首先需要對整個(gè)模型進(jìn)行預(yù)熱，然后用激光對的模型四邊涂有焊料的部位進(jìn)行加載，用ANSYS軟件計(jì)算得到的焊件上各點(diǎn)的溫度云圖如圖3所示，其中焊料部位的溫度最大為500 ℃?？芍?，玻璃基材隨熱源升溫的速度非常不均勻，靠近焊料的部分溫度變化較大，遠(yuǎn)離焊料的部位沒有變化。

在ANSYS的熱分析中，溫度梯度的矢量圖是影響溫度變化的重要因素。如圖4所示，（a）圖為加載完成后溫度梯度矢量圖，最大值734.164，最小值為0；（b）圖為x方向溫度梯度矢量圖，最大值為494.641，最小值為-20.896；（c）圖為y方向溫度梯度矢量圖，最大值為537.585，最小值為-9.353；（d）圖為z方向溫度梯度矢量圖，最大值為500，最小值為-500。分析可知，以上所述中負(fù)號只代表溫度變化的方向，由此可知熱量主要是從真空平板玻璃封邊焊料向外部對流散熱，而向中心部位熱傳遞的的熱量非常小。

在ANSYS分析中，刪除溫度載荷后，真空平板玻璃需先在真空環(huán)境中保溫一段時(shí)間，由于先對模型進(jìn)行了250 ℃的預(yù)熱過程，激光束熱源作用后，焊縫吸收的熱量時(shí)與玻璃基材的溫差不大，并且熱量會很快的散發(fā)出來，很快進(jìn)入到250 ℃的保溫狀態(tài)，不會產(chǎn)生太大的應(yīng)力應(yīng)變，所以，這里我們主要觀察真空平板玻璃在常溫狀態(tài)下的冷卻過程。真空平板玻璃在常溫狀態(tài)下冷卻時(shí)的溫度場變化狀況圖如圖5所示。

由圖5可知，常溫下冷卻時(shí)真空平板玻璃兩外表面，溫度變化的趨勢非常明顯，特別是開始時(shí)刻變化非?？欤? min內(nèi)幾乎完成從劇烈到溫和的變化過程；與外表面相同，內(nèi)部真空部分溫度變化也較快，但不如外部溫度變化快?？傊?，常溫環(huán)境中的降溫過程是一個(gè)比較溫和的降溫過程。但內(nèi)外部溫度下降的速度不同，這個(gè)速度差也是真空玻璃產(chǎn)生殘余應(yīng)力應(yīng)變的原因。但是，常溫下開始降溫時(shí)刻卻是應(yīng)力應(yīng)變最小的時(shí)刻。

從以上分析結(jié)果可知焊后溫度場變化歷史曲線，如圖6所示。在激光束的加熱焊粉時(shí)，上表面玻璃受其影響較小，幾乎不參與能量交換。這里由于焊粉厚度較小，可視焊縫的冷卻速度一致。從曲線的變化趨勢也可以看出，激光焊接的過程冷卻速度非?？欤?0 min內(nèi)就可以結(jié)束不穩(wěn)定變換過程。冷卻時(shí)，材料內(nèi)部的熱量可以從各個(gè)方向周圍傳熱，兩玻璃板表面以對流方式和輻射方式向周圍環(huán)境傳熱，熱量散失的速度比內(nèi)部真空腔快些。

4 結(jié) 語

通過對以上計(jì)算結(jié)果的詳細(xì)分析，得出激光焊接真空平板玻璃溫度場具有以下特點(diǎn)：激光焊接施加熱載荷過程和冷卻速度都極快，焊縫處的熱影響區(qū)很小，在熱源作用處有非常大的溫度梯度，在玻璃焊接中，熱源是透過玻璃對焊料進(jìn)行加熱的，玻璃是絕緣體，只有材料頻率和激光束頻率相近時(shí)才有影響。

由模擬溫度場結(jié)果可以看出，焊后溫度場變化隨時(shí)間的變化比較明顯。焊接時(shí)，真空保溫室中焊料與玻璃基材溫差變化較快，溫度場的變化速率較大，很快進(jìn)入保溫過程；當(dāng)放置于常溫常壓下進(jìn)行冷卻時(shí)，整體溫差較小，開始時(shí)焊料與玻璃基材溫度場存在變化速度小的狀況，一段時(shí)間（約10 min）后進(jìn)入穩(wěn)定的散熱過程。所以，模擬過程是非常接近實(shí)際焊接過程的。

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