本文参考文件引用格式：王鹏陆，何庆国.基于ANSYS的高硅铝合金平板对接激光焊数值摹拟[J].电焊机，，50（4）：-，.

做家：王鹏陆，何庆国（华夏电子科技团体公司第十三研讨所，河北石家庄）

撮要：先容当今国表里高硅铝合金激光焊接的趋向，详细说明ANSYS激光焊接有限元摹拟的解析流程，从若干模子的建造、网格区分、界说材料属性等方面先容了前管教流程；从热源的加载、存亡单位手艺、瞬态热解析方面先容了温度场解析流程，获患有焊接及冷却流程温度场散布处境；经过ANSYS后管教器获患有温度场散布云图；经过热机关耦合流程获患有焊接刹时应力散布。仿真赢得的温度场知足焊接温度须要，应力场散布会孕育必要的形变。

关键词：高硅铝合金；网格区分；体生热率热源；存亡单位；通用后管教器

媒介

当今国表里在微波组件外壳封装畛域的焊接材料紧要有Al、Cu、Mo、W、Kovar、Invar和W-Cu等，此中Kovar合金和Invar合金尽管热膨胀系数较低，但其热导率差、密度高、刚度低，不能知足电子设施轻量化的请求。Cu与热膨胀系数较小的Mo和W混杂孕育的复合材料尽管热导率较高，但其密渡太高，不宜做航空航天材料。Al具备热导率较高、密度较低、成本低及强度高级益处，也许采纳较高含量的低热膨胀系数颗粒实行复合，从而下降合金的热导率，与半导体材料相般配，是以新式高硅含量的硅铝复合材料（常称做高硅铝合金）的浮现引发了研讨者的关心。高硅铝合金热膨胀系数为4.1~23.6×10-6/K，提升硅含量可显著下降合金材料的密度及热膨胀系数。同时，高硅铝合金还具备热导机能好，刚度较高，与金、银、铜、镍的镀覆机能好，与基材可焊，易于精湛机加工等优良机能。但高硅铝合金焊接经常会浮现裂纹等焊接毛病，本文基于ANSYS有限元仿真软件，冀望赢得一种实用于平板对接焊的焊接工艺。

经过ANSYS实行热机关耦合解析，赢得全部激光焊接[1-2]流程的温度场和应力场动态改变流程，尽或者摹拟理论焊接流程[3-4]，供应理论根据。ANSYS瞬态解析[5-6]紧要环节以下：（1）前管教（prep7），紧要包含界说单位范例、界说热解析物理参数和应力解析参数、建造若干模子、区分网格等；（2）求解，包含界说解析范例、界说求解选项、界说变量、激活存亡单位、稳态解析、瞬态解析等；（3）后管教，包含通用后管教器POST1，可审查全部模子在某一载荷步和子步的反映事实；光阴—进程后管教器POST26，审查模子的指定节点的事实项随光阴频次的改变处境，并将这些事实经过绘制弧线方法观察。

模子的建造

1.1若干模子的建造

有限元模子的紧要因素是：节点、单位、实常数、材料的属性、畛域前提和载荷。生成模子关键点，联接这些点生成线从而生成面，结尾经过拉伸操纵孕育三维体模子。本次摹拟采纳两块规格为mm×mm×10mm的高硅铝合金平板拼接而成，此中一路平板为CE11高硅铝合金，其化学成份为w（Al）50%+w（Si）50%，另一路平板为CE17高硅铝合金，其成份为w（Al）73%+w（Si）27%，两块板拼接焊缝处采纳角度为60°的V型坡口，其模子建造如图1所示。

1.2网格区分

单位抉择应取决于解析题目的物理性质，选定的单位范例决计了题目的物理处境。热解析单位[7]紧要包含二维的PLANE55、PLANE35，三维的SOLID70、SOLID90，以及耦合场的SOLID5，热解析单位采纳SOLID70，机关解析时将单位范例转为SOLID45。此中焊缝区采纳网格尺寸5mm的六面体网格，分离焊缝区采纳网格尺寸10mm的六面体网格，中心过渡地区抉择网格尺寸10mm的四周体网格，见图2。

1.3界说材料属性

热解析中，须要界说材料随温度改变的密度、热传导系数及比热容等属性，而机关解析中须要界说材料的弹性模量、降服强度、切变模量、热膨胀系数及泊松比等属性，高温时的材料属性通常经过实习及插值法赢得。此中CE11和CE17高硅铝合金的热解析参数如表1所示。

热解析求解

2.1非线性求解选项配置

焊接数值摹拟是一个瞬态解析流程，是以对求解选项的配置决计了求解流程的的确性。在焊接数值摹拟求解中通常采纳以下敕令流：（1）ANTYPE，4，配置解析范例为瞬态解析；（2）trnopt，full绝对瞬态积分法；（3）nropt，full，on，翻开绝对牛顿-拉普森选项，每实行一次迭代，就改正一次刚度矩阵；（4）lnsrch，on，翻开线性寻找；（5）autots，on，翻开主动步长；（6）kbc，0，接续性载荷；（7）neqit，50，规章每个子步中最大迭代次数。

2.2热源的加载

关于热机关耦合解析，通常采纳热解析，即仅思虑温度场对应力场的影响。先实行热解析，赢得焊接流程的温度场散布，再将节点温度做为载荷施加在机关解析中。热源可分为齐集热源、平面散布热源和体积散布热源。思虑到焊接流程中孕育的应力应变局面，实验采纳体生热率热源[8]，该热源关于网格区分细度的请求较宽松，适当摹拟熔敷流程。体生热率盘算公式为

式中K为焊接热源的热效率；U为焊接电压；I为焊接电流；A为焊缝的横截面积；V为焊接速率；DT为每个载荷步的光阴。关于激光焊，热效率K值取0.75，U=30V，I=A，焊接速率v=0.01m/s；DT=0.5s，焊缝宽0.01mm、高0.01mm，可得出：横截面积A=0.01×0.01×tan(30)m3，将式（1）代入ANSYS敕令

流中便可告竣热源加载。

2.3存亡单位手艺

存亡单位法[9]实用于大普遍静态和非线性瞬态解析中。在实行求解解析时，需对焊缝实行存亡单位操纵。在焊接开端前将焊缝单位“杀死”并在每一步热应力盘算时抉择对应温度场的盘算事实，超越熔点溶化的单位将其“杀死”，其单位载荷矢量配置为0矢量，而低于熔点的单位和超越熔点未溶化的单位将其“激活”，经过单位刚度乘以一微小的撙节系数（缺省值1e-6）来告竣，敕令流为EKILL。经过焊缝的“杀死”与“激活”操纵，告竣热源在焊缝上挪动的轮回流程。

2.4瞬态热解析

在瞬态解析前需实行一步稳态解析操纵，稳态解析配置模子初始温度为25℃，模子外貌面节点配置对流换热系数，配置畛域前提下经一段光阴后抵达稳态成效，保证全部模子的节点具备初始温度前提。稳态解析告竣后实行瞬态解析，经过存亡单位法来告竣，抉择每一步的焊缝单位将其激活后施加体生热率告竣迭代，再次抉择该焊缝单位清除施加的体生热率，经过以下敕令流告竣：

esel，s，mat，，1

nsle，s，all

nsel，r，loc，z，zmin，zmax

esln，s，all

ealive，all

bfe，all，hgen，，HGENUM

esel，s，mat，，1

nsle，s，all

nsel，r，loc，z，zmin，zmax

esln，s，all

bfedele，all，hgen

将一个瞬态解析光阴dT中热源的加载经过do轮回语句便可告竣热源在焊缝上的挪动流程。在本次解析中，焊缝长0.3m，焊接速率0.01m/s，每个载荷步时长0.5s，可得需轮回60步告竣焊缝焊接流程。同理，在不施加热源的处境下连续实行热源的推移便可告竣焊后冷却流程。为了便于解析，实验拔取焊缝冷却s至室温。

温度场后管教

瞬态解析求解告竣后需对解析事实实行后管教以直觉地反响焊接流程中温度场的改变处境。告竣了求解流程后，经过输入/POST1敕令投入POST1通用后管教器[10-11]，在主菜单中抉择GeneralPostproc

PlotResults

ContourPlot敕令敞开等值线图绘制菜单项，抉择NodalTemperature便可观察温度场云图，事实如图3~图6所示。

由图3~图6可知，焊接10s后焊缝上最高温度.1℃，焊接20s后焊缝最高温度.29℃，焊接30s后焊缝抵达最高温度.8℃，冷却s后焊缝温度为.9℃。与硅铝合金相图（见图7）熔点实行相比可知，CE17合金Si含量为50%，液相线温度℃，CE11合金Si含量27%，液相线温度℃，熔池温度超越两种合金熔点，也许知足焊接须要。

焊策应力场解析

温度场解析告竣后，经过etchg，tts敕令来告竣热机关耦合，将温度场解析中的刹时温度做为载荷施加到机关解析中，经过lumpm，0敕令运用与单位关系的品质矩阵公式，nlgeom，on敕令翻开大应变选项，nropt，full，，on采纳牛顿拉普森办法，与温度场解析办法雷同采纳do轮回语句，界说弹性模量、切变模量、线膨胀系数和泊松比等属性赢得焊接流程中刹时变形量及应力散布处境。

焊接30s后应力场散布如图8所示，也许看出，焊缝方位最大刹时应力为0.MPa，笔直于劳动平面方位最大刹时应力为0.MPa，焊缝向双侧散布方位应力最大，抵达1.21MPa，孕育形变。

论断

本文研讨了焊接三维热应力和残存应力摹拟解析手艺，基于ANSYS软件，经过热机关耦合有限元解析办法对平板对接激光焊实行了有限元摹拟，采纳Do轮回语句使体热源沿焊缝方位挪动。获患有焊接及冷却流程的温度场散布和应力场散布，焊缝上的温度也许知足熔覆须要，焊缝向双侧散布应力最大，孕育形变局面。

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自行猎取

本文编纂：唐凰

起源：《电焊机》杂志年第4期

做家：王鹏陆，何庆国

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