盒體組件激光焊接的有限元仿真分析

中圖分類號(hào)：TP399；TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2025）12-0193-06

Finite Element Simulation Analysis of Laser Welding for Box Assembly Components

FANG Qingling'，LI Liang2， CHENGLibo'，LI Jiarong'， YAO Yong （1.Shaanxi Aerospace SupercomputingCenter Co.，Ltd.，Xi'an 712ooo， China; 2.Shanxi Province Aerospace and Astronautics Propulsion Research Institute Co.，Ltd.，Xi'an 710o3，China）

Abstract： With the continuous development of microwave module products towards higher performance，beter thermal conductivityigheritegation，lgtweightndgeaterelibilityteizeofCCsubtrateshaireased，eadingtoa correspondinginreaseintesizeoftheshell-boxassemblycomponents.Forlargersizedshell-boxassmblyomponents，laser weldingcaneasilycause significant deformationof thecover plate and even leadtocracks inthe side wallsofthe box.This paper establishesasimulation modelingof thebox assemblycomponent，usingFinite Element Simulationsoftware toeproduce the laser welding proces.Byanalyzing the temperature field，stressfeld，deformation amount，and molten poolmorphology， thestudyinvestigatesthetemperatureistribution，tressdistrbution，trendanalysisofeformationamount，nddevelopent situation of molten pool morphology during the laser welding process of the box assembly components.

Keywords： laser welding; box assembly component; numerical simulation

0 引言

在航空航天技術(shù)迅猛發(fā)展和軍事領(lǐng)域深刻變革的背景下，太空正逐漸成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的一個(gè)關(guān)鍵戰(zhàn)場(chǎng)，高性能的電子設(shè)備成為空間電子戰(zhàn)制勝的關(guān)鍵手段[]。由于太空環(huán)境的特殊性，對(duì)航空航天電子設(shè)備提出了更加嚴(yán)格的要求，特別是在微波組件方面，需要它們具備高性能、高導(dǎo)熱、高集成度、輕量化以及高可靠性。

一方面，為滿足微波組件在地面和太空均保持優(yōu)異的微波性能及高可靠性，需對(duì)微波組件進(jìn)行密封處理。微波組件氣密性封裝工藝主要包括環(huán)氧膠粘接、釬焊、平行縫焊、電子束焊接和激光焊接等[2-3]。環(huán)氧膠具有一定的吸潮特性，其粘接性能在吸潮前后會(huì)出現(xiàn)顯著的變化，導(dǎo)致微波組件的氣密性無法長(zhǎng)時(shí)間維持，因此目前已不再采用環(huán)氧膠粘接工藝進(jìn)行微波組件氣密性封裝；釬焊雖然成品率高、密封性能持久，但在釬焊過程中可能會(huì)在微波組件內(nèi)部引入額外的錫膏、助焊劑、焊帶等多余物，同時(shí)由于釬焊溫度較高，可能對(duì)微波組件內(nèi)部電路的長(zhǎng)期穩(wěn)定性造成影響；平行縫焊成品率高，價(jià)格低廉，常用于大規(guī)模生產(chǎn)，但其對(duì)焊接材料和組件形狀有特定要求，僅限于長(zhǎng)方形或圓形的可伐合金模塊的焊接；電子束焊接以其熱影響區(qū)域小和焊接精度高而著稱，但由于成本過高，不適合用于大規(guī)模生產(chǎn)；激光焊接是利用聚焦的激光束作為能量轟擊工件所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行焊接的方法。激光焊接過程具有熱影響區(qū)小、可靠性和密封性能優(yōu)良和無接觸等特點(diǎn)，所以這種方法的生產(chǎn)效率高、焊縫性能優(yōu)良，所有的焊縫強(qiáng)度達(dá)到或超過母材強(qiáng)度。綜上所述，激光焊接技術(shù)是對(duì)體積、質(zhì)量和散熱性能有嚴(yán)格要求的航空和航天等軍用電子領(lǐng)域微波組件的密封首選工藝[4]。

另一方面，為滿足微波組件的輕量化、高導(dǎo)熱要求，高硅鋁合金因其密度低、輕質(zhì)、導(dǎo)熱性能優(yōu)越、熱膨脹系數(shù)低和尺寸穩(wěn)定性佳等特性，逐漸成為微波組件特別是管殼組件的新型替代材料。但是，在焊接過程中，由于硅鋁合金含有脆性硅顆粒，在高溫梯度的影響下容易發(fā)生裂紋，因此對(duì)激光焊接參數(shù)和焊接面結(jié)構(gòu)的敏感性非常高。同時(shí)，由于集成度的要求越來越高，目前越來越多的微波組件中LTCC基板的尺寸逐漸增大，而與之相裝配的微波組件產(chǎn)品管殼盒體組件尺寸也隨之增大。然而較大尺寸的高硅鋁合金管殼組件在激光焊接后易出現(xiàn)蓋板變形嚴(yán)重，甚至殼體側(cè)壁出現(xiàn)裂紋等不良現(xiàn)象。因此有必要對(duì)激光焊接過程中殼體組件產(chǎn)生缺陷的原因展開深入研究。目前國內(nèi)外對(duì)激光焊接的研究大多數(shù)專注于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝試驗(yàn)和工藝設(shè)備，其中針對(duì)高硅鋁盒體組件的激光焊接研究主要集中在激光焊接外觀缺陷的分析和工藝實(shí)驗(yàn)研究[5-]，運(yùn)用仿真手段進(jìn)行激光焊接過程的研究案例尚較少。

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和有限元技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真焊接過程的條件日益成熟，數(shù)值仿真軟件在激光焊接工藝研究中的應(yīng)用成了一種重要的研究手段。本文運(yùn)用有限元仿真軟件，研究盒體組件在激光焊接過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、變形量場(chǎng)以及熔池形貌變化，從而為大尺寸封裝盒體組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1盒體組件激光焊接的有限元模型的建立

1.1盒體組件幾何模型

本文的研究對(duì)象為微波組件的盒體管殼結(jié)構(gòu)，模型近似正方形，為避免盒體內(nèi)部電路板、元器件受焊接過程激光影響造成損傷，蓋板與殼體設(shè)計(jì)為搭接結(jié)構(gòu)，殼體封焊面寬度為 1mm ，搭接面寬度為 1mm 蓋板厚度為 2mm ，如圖1所示。在盒體組件激光焊接的有限元模型建立之前，需要對(duì)盒體組件進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化操作包括：

1）保留搭接部分尺寸。

2）移除部分孔位。

3）保留殼體內(nèi)部特征。

殼體封焊面寬度-1mm 蓋板厚度-1mm 搭接面寬度-1mm

1.2 網(wǎng)格設(shè)置

在激光焊接過程中，高強(qiáng)度激光束直接輻射至材料表面，通過激光與材料的相互作用，使材料局部熔化實(shí)現(xiàn)焊接，只有局部區(qū)域的金屬材料經(jīng)歷了溫度的快速變化，且在整個(gè)動(dòng)態(tài)焊接過程中，只有激光束附近的區(qū)域處于高溫度梯度范圍內(nèi)。因此在保證計(jì)算精度的前提下，采用疏密過渡的網(wǎng)格劃分方法來減少仿真過程中需要計(jì)算的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，以此縮短計(jì)算時(shí)間。根據(jù)焊接區(qū)域，蓋板劃分為焊接層、過渡層和芯部層三部分，焊接層為焊縫區(qū)域，網(wǎng)格劃分較密，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域?yàn)樾静繉?，主要位于蓋板芯部，網(wǎng)格劃分較粗，其余區(qū)域?yàn)檫^渡層；殼體劃分為焊接層、過渡層及其余層三部分，與蓋板相似，焊接層為焊縫區(qū)域，網(wǎng)格較細(xì)，過渡層為焊接層周圍一定范圍的區(qū)域，剩下的區(qū)域?yàn)槠溆鄬?，網(wǎng)格較粗。表1為網(wǎng)格設(shè)置詳細(xì)信息。

表1網(wǎng)格設(shè)置信息

運(yùn)用專業(yè)的網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，劃分后網(wǎng)格如圖2、圖3所示。

圖1搭接結(jié)構(gòu)

圖2蓋板網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖3殼體網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.3材料設(shè)置

由于微波盒體組件不斷向大功率、輕量化和高性能的方向發(fā)展，因此對(duì)封裝材料提出了更高的要求，高硅鋁合金材料有較高熱導(dǎo)率、較低熱膨脹系數(shù)，成了盒體封裝的首選。本文中殼體和蓋板選用含硅量為50% 的50SiA1材料和含硅量為 27% 的27SiAl材料，材料的參數(shù)如表2所示[]。

表2高硅鋁合金材料性能

1.4邊界條件及接觸設(shè)置

激光焊接仿真中的傳熱邊界、力學(xué)邊界和接觸邊界設(shè)置如表3所示。

表3邊界條件及接觸設(shè)置

1.5焊接參數(shù)設(shè)置

1.5.1焊接實(shí)驗(yàn)條件

激光焊接質(zhì)量的工藝影響因素包括激光脈沖峰值功率、脈寬、脈沖波形、脈沖頻率、焊接速度和離焦量[8-9]。

單個(gè)脈沖的能量等于脈沖波形在單個(gè)脈寬內(nèi)的積分，功率密度為單位光斑面積內(nèi)的峰值功率，即峰值功率、脈寬和脈沖波形共同影響單個(gè)激光光斑的能量[1]。激光脈沖峰值功率越大，功率密度越大，材料的溫升越快；但當(dāng)激光脈沖峰值功率過大時(shí)，激光能量較大容易引起焊縫內(nèi)熔池的劇烈汽化，熔融金屬形成飛濺現(xiàn)象；激光脈沖峰值功率較小又容易造成蓋板和殼體熔融不充分難以形成有效的焊縫，甚至出現(xiàn)未融合現(xiàn)象。因此為使得焊縫達(dá)到氣密性封裝的要求，應(yīng)選擇適宜的激光脈沖峰值功率。同時(shí)，脈寬越寬，單脈沖的能量越大，熔池的熔深越大；為達(dá)到良好的焊接效果，應(yīng)根據(jù)材料的熱導(dǎo)和激光反射能力和焊接程序選擇合適的脈沖波形。

每個(gè)激光脈沖都會(huì)形成一個(gè)熔斑，而熔斑的重疊率則由焊件的移動(dòng)速度、光斑直徑和激光脈沖頻率共同決定[1]。高重復(fù)率有助于消除焊接區(qū)域內(nèi)部的裂紋，并促進(jìn)晶粒細(xì)化，從而提高焊縫的質(zhì)量。

離焦量指的是焊接過程中焊件表面與激光束焦平面之間的距離。在激光焊接過程中，焊縫的表面成型和熔焊與離焦量有很大的關(guān)系，因此在確定激光功率的同時(shí)必須選擇與其相匹配的離焦量，以確保獲得光滑的焊縫表面[12]。

1.5.2焊接工藝參數(shù)

本文中的激光焊接工藝涉及兩個(gè)工況，工況1為整體點(diǎn)焊，工況2為整體封焊。其中工況1的工藝路線及參數(shù)為：

1）從長(zhǎng)邊中點(diǎn)開始逐點(diǎn)焊接，順序依次為1、2、3、4，如圖4所示。

2）4個(gè)點(diǎn)完成后，每間距 10mm 打一個(gè)點(diǎn)，打點(diǎn)位置不在拐角處出現(xiàn)。

3）打點(diǎn)功率為 7.24J/4ms 。

4）激光光斑直徑為 0.6mm 。

圖4工況1技術(shù)路線

工況2的工藝路線及參數(shù)為：

1）激光采用脈沖焊接方式，工作頻率 18Hz ，周期時(shí)間 65.5ms ，一個(gè)周期內(nèi)激光打開時(shí)間為 5ms ，如圖5所示。

2） 5ms 內(nèi)輸出能量為12.0J，輸出頻率為 1800W 。

3）從第一個(gè)點(diǎn)開始，沿四周開始順時(shí)針焊接，激光光斑移動(dòng)速度為 4.5mm/s 。

圖5激光脈沖波形

1.5.3焊接參數(shù)處理

盡管激光焊接的質(zhì)量受激光脈沖峰值功率、脈寬、脈沖波形、脈沖頻率、焊接速度和離焦量等因素的影響，但在有限元仿真軟件的功能設(shè)置中，尚無一一對(duì)應(yīng)的設(shè)置，因此需要對(duì)實(shí)驗(yàn)條件和工藝參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，得到有限元仿真軟件能夠設(shè)置的輸入。本文根據(jù)焊接工況及焊接參數(shù)，提出的方法如下：

1）工況1焊接參數(shù)轉(zhuǎn)換方法包括將焊接單點(diǎn)簡(jiǎn)化為長(zhǎng)度為激光光斑直徑的焊接軌跡，綜合網(wǎng)格劃分，即為3個(gè)相連節(jié)點(diǎn)為一條焊接軌跡；根據(jù)模型邊長(zhǎng)及打點(diǎn)間距確定打點(diǎn)的焊接軌跡數(shù)量，現(xiàn)有24條焊接打點(diǎn)軌跡；依據(jù)焊接軌跡長(zhǎng)度和打點(diǎn)功率，確定焊接移動(dòng)速度為焊接軌跡長(zhǎng)度/打點(diǎn)時(shí)間，即為 150mm/s; （20號(hào)焊接功率為打點(diǎn)功率，即瞬態(tài)功率 1810W ，效率0.8。

2）工況2焊接參數(shù)轉(zhuǎn)換方法包括焊接功率為工作頻率 × 單脈沖輸出能量；焊接速度為光斑移動(dòng)速度4.5mm/s ；焊接效率為依據(jù)激光焊經(jīng)驗(yàn)值選擇0.85。

1.6 熱源設(shè)置

1.6.1 熱源工藝參數(shù)

本文中的激光焊接工藝涉及熱源參數(shù)信息獲取情況如下：

1）激光光斑直徑為 0.6mm 。

2）熔池深度 0.4～0.5mm 。

3）單熔池橫截面積為高斯曲線。

1.6.2 熱源信息轉(zhuǎn)換

焊接熱源模型是指在作用在工件上、在時(shí)間域和空間域上的熱輸入分布的數(shù)學(xué)描述，是進(jìn)行焊接熱過程和熔池行為分析的前提和條件。由于熱源具有一定的一定移動(dòng)速度，因此熱源中心前側(cè)的溫度梯度較大，而熱源中心后側(cè)的溫度梯度較小，因此本文中選用雙橢球熱源模型，如圖6所示，前半部分是1/4橢球，后半部分是另1/4橢球，前后半部分橢球熱源分布函數(shù)為式（1）和式（2）。

圖6雙橢球功率密度熱源示意圖

式中， a₁ ， a₂ 表示前后半橢球的半軸長(zhǎng)； b 表示前后半橢球的共有軸長(zhǎng)； c 表示熱源高度； f₁ ， f₂ 表示前后半橢球的熱量分配系數(shù)，且 f₁+f₂=2.0 。

根據(jù)熱源工藝參數(shù)及有限元仿真軟件功能，對(duì)熱源信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，熱源幾何尺寸轉(zhuǎn)換方法及具體設(shè)置如表4所示。

表4熱源參數(shù)設(shè)置

1.7計(jì)算設(shè)置

本文中選用的有限元仿真軟件的計(jì)算設(shè)置包括時(shí)間步設(shè)置、自適應(yīng)網(wǎng)格設(shè)置以及并行計(jì)算設(shè)置。

時(shí)間設(shè)置包括焊槍工作時(shí)間、冷卻時(shí)間以及壓緊工裝工作時(shí)間，依據(jù)上述焊接路線和焊接工藝參數(shù)設(shè)置，焊槍工作時(shí)間段為 0～70.9s ，冷卻時(shí)間為70.9～300s ，壓緊工作時(shí)間為 0～100s 。

結(jié)合激光焊接動(dòng)態(tài)工藝過程分析，在每個(gè)時(shí)刻只有焊接電弧附近的區(qū)域處在高溫度梯度范圍內(nèi)。為提高計(jì)算效率，結(jié)合有限元仿真的特點(diǎn)，采用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)將動(dòng)態(tài)焊接區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格劃分較密，設(shè)置熱源區(qū)域1.2倍范圍內(nèi)全局細(xì)化，細(xì)化等級(jí)為1。

本文設(shè)置的并行計(jì)算方法為區(qū)域分解法（DDM）和共享內(nèi)存法（SMP），DDM為模型被分解的域數(shù)，每個(gè)域被單獨(dú)的求解器求解，SMP為共享內(nèi)存并行計(jì)算，該值為每個(gè)域使用的線程數(shù)，計(jì)算所用的核數(shù)即為DDM和SMP的乘積。

2 仿真結(jié)果分析

2. 1 溫度場(chǎng)分析

將蓋板焊線節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)和蓋板沿X向軸線節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并進(jìn)行繪圖分析，各點(diǎn)在激光焊接過程中的溫度變化如圖7、圖8所示。

由圖7和圖8可知，激光焊接是一個(gè)快速而不均勻的熱循環(huán)過程，在焊縫附近的溫度梯度較大；且由于散熱有限，焊縫的連續(xù)加熱使得焊線節(jié)點(diǎn)的峰值溫度逐漸提高；由于焊線軌跡呈“口”字形，蓋板軸線處溫度呈波浪線上升趨勢(shì)。

圖7蓋板焊線節(jié)點(diǎn)溫度變化

圖8蓋板沿×向軸線節(jié)點(diǎn)溫度變化

2.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

圖9為第一條焊縫中熱源靠近起點(diǎn)、中點(diǎn)和末端的瞬態(tài)應(yīng)力分布圖。

圖9第一條焊縫各點(diǎn)應(yīng)力圖

由圖9可知，在焊接過程中，焊縫中同時(shí)存在熔池區(qū)域、熔池前的升溫區(qū)域、熔池后方的冷卻凝固區(qū)域。由于激光焊接的熱影響區(qū)較窄，選用雙橢球體熱源，熔池前方的升溫區(qū)較小，但受熱源的影響迅速升高，升溫區(qū)產(chǎn)生了較大的彈性應(yīng)力，熔池區(qū)的材料處于液體或半固態(tài)的塑性狀態(tài)，所以熔池區(qū)等效應(yīng)力較低；熔池后方處于冷卻狀態(tài)，由于冷卻收縮受到周圍材料的約束作用，故而凝固區(qū)產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

2.3 變形量場(chǎng)分析

將焊線節(jié)點(diǎn)Y軸變形量數(shù)據(jù)和蓋板中心節(jié)點(diǎn)Y軸變形量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并進(jìn)行繪圖分析，各點(diǎn)在激光焊接過程中的變形量變化如圖10和圖11所示。

圖10焊線節(jié)點(diǎn)Y軸變形量變化

圖11蓋板中心節(jié)點(diǎn)Y軸變形量變化

由圖10和圖11可知，沿Y軸方向，受焊接熱循環(huán)和熱累積的影響，焊線節(jié)點(diǎn)處變形量先快速上升后快速回落，最終趨于平穩(wěn)；靠后的節(jié)點(diǎn)變形量峰值逐漸增大；同樣受焊接軌跡形狀的影響，蓋板中心變形量緩慢上升后緩慢下降。

2.4熔池形貌分析

圖12和圖13為焊縫1處和焊縫4處的熔池形貌，對(duì)比焊縫1和焊縫4處的熔池形貌，焊縫1處，熔池底端接近平滑，焊縫4底端在有凹槽處淺，無凹槽處深，可見即使熱輸入條件相同，熔池形貌受結(jié)構(gòu)特征而呈現(xiàn)不一致。

圖12焊縫1處熔池形貌

圖13焊縫4處熔池形貌

3結(jié)論

本文運(yùn)用有限元仿真軟件對(duì)盒體組件激光焊接過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，激光焊接過程的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、變形量場(chǎng)以及熔池形貌進(jìn)行分析，可知：

1）激光焊接過程中在焊縫處溫度變化劇烈，焊縫的峰值溫度受結(jié)構(gòu)的影響逐步提高。

2）激光焊接過程中應(yīng)力的大小與焊點(diǎn)處的溫度變化相關(guān)，升溫區(qū)彈性應(yīng)力較大，熔池區(qū)應(yīng)力較小，凝固區(qū)應(yīng)力較大。

3）激光焊接過程中，受焊接軌跡及盒體結(jié)構(gòu)的影響，各區(qū)域的變形量趨勢(shì)不同。

4）激光焊接過程中，受盒體結(jié)構(gòu)特征的影響，

特征不同，熔池形貌不同。

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作者簡(jiǎn)介：房慶齡（1993.02—），女，漢族，山西呂梁人，助理工程師，碩士，研究方向：航空航天工藝數(shù)值仿真。