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，向內部傳遞熱量較少。

關鍵詞：激光焊接；ANSYS；溫度場分析

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

隨著社會的發展，人們生活水平的提高，真空平板玻璃在建筑物的門窗、溫室等方面的應用越來越廣泛。現有真空玻璃的側封方法主要有燒結法和真空袋法。燒結法是采用較高熔點玻璃粉加熱冷卻方法對真空玻璃進行側封的加工。其主要缺點是制作時間長、生產效率低、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用膠片對真空玻璃進行支撐和封邊。雖然生產效率高，但真空度較低，特別是容易漏氣，產品壽命難以保證。

激光焊接技術在金屬或非金屬材料的焊接方面運用的越來越多，越來越成熟。真空玻璃屬于非金屬材料，所以也能運用激光焊接來進行側封。真空玻璃激光側封能實現側封技術的自動控制，因為機械手、計算機的運用能夠實現側封過程的自動加工，能很大程度上提高側封的效率。

1 真空玻璃側封裝置

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

真空玻璃激光側封裝置是在放置爐內制造真空環境，加熱平臺實現側封部位加熱，通過程序實現激光頭操縱控制器的運動，激光頭通過放置爐的窗口從真空室外部進行側封。

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溫度過高造成玻璃應力而破碎的現象。制造真空環境裝置與現有真空環境制造裝置相同。

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

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

同時，可以根據不同的玻璃形狀改變激光頭的行程軌跡進行真空玻璃的自動控制側封，能夠在保證側封要求的基礎上，降低能源的浪費，減輕操作人員的疲勞。該裝置具有結構緊湊、操作靈活、側封速度快的優點。

2 真空玻璃有限元模型的建立

研究發現，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。實驗證明，輸入的熱量越小，可以精確控制熱源性質，相應焊接時的熱影響區的熱膨脹量就越小，焊接時產生的殘余應力越小，焊接過程中不易產生因受熱不均造成的破碎現象。

ANSYS有限元分析軟件是一種功能強大的分析軟件，融優化、結構、熱、電磁、聲學于一體的大型通用有限元軟件，可以運用ANSYS進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軟件對溫度場進行瞬態分析，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

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

2.2 建立有限元模型

首先，運用ANSYS構建正方體玻璃板、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行合理等分，在完成等分線段后，按照由小到大、由規則圖形到不規則圖形的方式對進行網格劃分，網格劃分時采用掃略的方式進行。完成網格劃分的有限元模型如圖2所示，其中有單元286 666個；由圖可以看出，距焊料較近處網格、支撐柱周圍部分的網格劃分的比較均勻細密，而遠離焊縫處的部分網格劃分較為粗大、較稀疏一些。由于用于分析真空玻璃的模型尺寸較小，適宜采用實體建模，且模型及計算量都不是很大，計算機能夠實現求解，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。首先需要對整個模型進行預熱，然后用激光對的模型四邊涂有焊料的部位進行加載，用ANSYS軟件計算得到的焊件上各點的溫度云圖如圖3所示，其中焊料部位的溫度最大為500 ℃。可知，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境中保溫一段時間，由于先對模型進行了250 ℃的預熱過程，激光束熱源作用后，焊縫吸收的熱量時與玻璃基材的溫差不大，并且熱量會很快的散發出來，很快進入到250 ℃的保溫狀態，不會產生太大的應力應變，所以，這里我們主要觀察真空平板玻璃在常溫狀態下的冷卻過程。真空平板玻璃在常溫狀態下冷卻時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，特別是開始時刻變化非常快，在6 min內幾乎完成從劇烈到溫和的變化過程；與外表面相同，內部真空部分溫度變化也較快，但不如外部溫度變化快。總之，常溫環境中的降溫過程是一個比較溫和的降溫過程。但內外部溫度下降的速度不同，這個速度差也是真空玻璃產生殘余應力應變的原因。但是，常溫下開始降溫時刻卻是應力應變最小的時刻。

從以上分析結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，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常快，在10 min內就可以結束不穩定變換過程。冷卻時，材料內部的熱量可以從各個方向周圍傳熱，兩玻璃板表面以對流方式和輻射方式向周圍環境傳熱，熱量散失的速度比內部真空腔快些。

4 結 語

通過對以上計算結果的詳細分析，得出激光焊接真空平板玻璃溫度場具有以下特點：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才有影響。

由模擬溫度場結果可以看出，焊后溫度場變化隨時間的變化比較明顯。焊接時，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，很快進入保溫過程；當放置于常溫常壓下進行冷卻時，整體溫差較小，開始時焊料與玻璃基材溫度場存在變化速度小的狀況，一段時間（約10 min）后進入穩定的散熱過程。所以，模擬過程是非常接近實際焊接過程的。

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