一种有限元模型驱动的电流辅助真空钎焊精准控制方法技术

本发明专利技术涉及钎焊连接技术领域，具体涉及一种有限元模型驱动的电流辅助真空钎焊精准控制方法，通过镁合金电流辅助真空钎焊过程热场和电场耦合模拟，明确了电流辅助焊接工件界面的温度与热电偶测温温度即焊接系统控制温度之间的关系

【技术实现步骤摘要】
一种有限元模型驱动的电流辅助真空钎焊精准控制方法


[0001]本专利技术涉及钎焊连接
，具体涉及一种有限元模型驱动的电流辅助真空钎焊精准控制方法
。

技术介绍

[0002]电流辅助真空钎焊是一种由放电等离子烧结技术衍生的连接工艺，一般是在
SPS
设备上采用钎料连接块体材料
。
该连接技术集电阻加热
、
等离子活化
、
电致扩散
、
热压为一体，具有温度低
、
变形小
、
时间短但连接质量优异的特点，相比传统真空钎焊，在节能提效
、
控形控性方面具有显著的综合优势，是最有发展潜力的精密高效连接工艺之一，近几年在高温合金
、
硬质合金
、
难熔金属
、
陶瓷
、
钢乃至轻质合金同异种材料连接上已取得诸多成果
。
[0003]电流辅助真空钎焊产热主要来源于电流流经焊接组件时体积电阻和接触电阻产生的焦耳热，焊接系统内温度分布极不均匀
。
由于电流产热的不稳定性以及模具中焊件温度难以准确测量，因此有限元模拟成为研究
SPS
焊接必不可少的手段
。
目前已有报道通过
ABAQUS、ANSYS
以及
MSC.MARC
等软件模拟
SPS
烧结过程，但关于块体材料尤其是轻质合金
SPS
焊接过程的有限元模拟较少，尤其是对于特定焊件材料和尺寸，没有形成明确的焊接温度场分布规律
。
[0004]现有
SPS
实验一般按照模具靠近焊件处的热电偶测温温度粗略估算焊件温度
。
实际上，电流流经电极
、
垫块
、
压头以及焊件与模具的并联回路形成一个完整的串联回路时，由于不同材料体积电阻以及界面接触电阻的差异，使得焊件的顶部
、
中部与底部存在纵向的温度梯度，焊件靠近模具的外部与中部存在横向的温度梯度
。
当焊件局部温度超过钎料的熔点过高时，钎料很容易流溢出模具并残留在设备内，不仅无法满足焊件形状精度与外观质量要求，还会严重影响设备的正常使用；界面位置温度过高，还容易造成钎缝处组织粗大，界面反应过度，母材溶蚀，过热过烧氧化挥发等问题，降低焊接质量
。
而当焊件界面位置温度低于热电偶测温温度时，钎料完全不熔化或者不完全熔化，使得界面处易形成未焊合缺陷
。
因此，精确调控电流辅助真空钎焊温度对于提升焊件连接性能至关重要
。
[0005]前期试验发现，实际焊接温度与系统设定温度可能相差较大，以
TC4
钛合金
(
α
‑
β
相变温度为
995℃)
放电等离子扩散焊为例，采用焊接温度为
800℃
，发现界面处已经发生相变，提取了该焊接温度下的焊接电流进行温度场模拟，发现也与系统设定温度相差较大，为后续材料微观组织和元素扩散行为的研究带来较大困扰，因此，针对放电等离子扩散焊的温度准确表述是有效开展焊接工艺试验的必要前提，并已得到领域内研究以及试验操作人员的一致认可，故而在开展电流辅助焊接过程中，采用粗略估算焊接实际温度的方法进行相关分析，即认为实际焊接温度比系统设定温度高出0～
100℃。
当采用一定钎料进行施焊时，与常规真空钎焊不同，设定焊接保温温度不再基于传统经验值即高出钎料液相线温度
30
～
50℃
，而是为了保证钎料不流溢
、
母材不过于溶蚀等，设定焊接系统温度低于钎料熔点，综合平衡使得实际焊接温度高于钎料熔点，以保证钎料在钎缝处充分润湿和铺展
。
通过有限元模型能够精准计算电流辅助焊接过程中温度场和电场在时间和空间上的演变和分
布规律，并且实时动态的进行结果可视化，故而亟需开展模型建立和数据校准等工作
。
但是，采用有限元模拟研究电流辅助焊接存在一定的技术难点，主要体现在：建模涉及多材料，随温度变化的材料参数往往不够明确或不易获得；涉及多部件，其界面接触关系受到部件的表面状态
、
装配类型影响，较为复杂且难以定量；涉及多步骤，对于常规焊接工程人员甚至研究人员难以掌握，提高了试验试错成本和设备运行风险
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于解决基于采用有限元模拟研究电流辅助焊接存在建模涉及多材料
、
多部件
、
多步骤的技术难点的问题，提供了一种有限元模型驱动的电流辅助真空钎焊精准控制方法
。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术公开了一种有限元模型驱动的电流辅助真空钎焊精准控制方法，包括以下步骤：
[0008]S1
，建立几何模型：根据焊接物理系统建立三维实体模型，焊接压力和电流施加在电极上，流经垫块
、
压头串联组件，然后流经模具
、
焊件组成的并联组件，最后经上下对称的装配组件形成导电回路；
[0009]S2
，网格划分：采用
HyperMesh
软件进行六面体单元网格划分；
[0010]S3
，定义材料参数：采用电热耦合材料参数，包括密度
、
比热
、
热导率
、
电阻率；
[0011]S4
，定义初始条件：采用电热耦合初始条件，定义
SPS
焊接组件的初始温度为
20℃
；
[0012]S5
，定义边界条件：采用电热耦合边界条件，
[0013]S6
，定义接触条件：采用电热耦合接触条件；
[0014]S7
，定义计算工况：采用电热耦合工况条件，选择
steady state/transient
分析类型，即求解电场为稳态计算，求解温度场为瞬态计算，分别定义焊接工况和冷却工况；
[0015]S8
，定义分析类型：收敛条件定义为每个时间步温度误差不超过
30℃
；
[0016]S9
，定义单元类型：单元类型为
123
，即针对热场和电场耦合计算类型和六面体网格，采用缩减积分单元；
[0017]S10
，提交计算任务：计算任务为热场和电场耦合计算，依次提交步骤
S9
中定义的焊接工况和冷却工况计算，选择后处理结果包括温度，电流密度，由电流产生的热流密度；
[0018]S11
，
SPS
焊接模型校核：提取热电偶测温位置热循环数值预测结果与
SPS
焊接工艺曲线进行对比，验证模型的准确性和计算精度；
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种有限元模型驱动的电流辅助真空钎焊精准控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
，建立几何模型：根据焊接物理系统建立三维实体模型，焊接压力和电流施加在电极上，流经垫块
、
压头串联组件，然后流经模具
、
焊件组成的并联组件，最后经上下对称的装配组件形成导电回路；
S2
，网格划分：采用
HyperMesh
软件进行六面体单元网格划分；
S3
，定义材料参数：采用电热耦合材料参数，包括密度
、
比热
、
热导率
、
电阻率；
S4
，定义初始条件：采用电热耦合初始条件，定义
SPS
焊接组件的初始温度为
20℃
；
S5
，定义边界条件：采用电热耦合边界条件，
S6
，定义接触条件：采用电热耦合接触条件；
S7
，定义计算工况：采用电热耦合工况条件，选择
steady state/transient
分析类型，即求解电场为稳态计算，求解温度场为瞬态计算，分别定义焊接工况和冷却工况；
S8
，定义分析类型：收敛条件定义为每个时间步温度误差不超过
30℃
；
S9
，定义单元类型：单元类型为
123
，即针对热场和电场耦合计算类型和六面体网格，采用缩减积分单元；
S10
，提交计算任务：计算任务为热场和电场耦合计算，依次提交步骤
S9
中定义的焊接工况和冷却工况计算，选择后处理结果包括温度，电流密度，由电流产生的热流密度；
S11
，
SPS
焊接模型校核：提取热电偶测温位置热循环数值预测结果与
SPS
焊接工艺曲线进行对比，验证模型的准确性和计算精度；
S12
，总结焊接焊件内温度
、
电流分布规律，主要提取焊件上的温度和电流分布，包括焊件连接界面在径向和轴向上的温度梯度，以及整体焊件上的峰值温度和最低温度，与热电偶测温点的温度差异，以及垂直于焊件连接界面的轴向电流密度
。2.
如权利要求1所述的一种有限元模型驱动的电流辅助真空钎焊精准控制方法，其特征在于，所述步骤
S1
中各部件建模尺寸为：两个圆柱体焊件半径为
R
，高度为
H
，石墨模具内径为
R1
＝
R+0.1mm
，外径为
50mm
，高度为
2H+20mm
，上下压头直径为
R
，高度为
10mm
，垫块尺寸阶梯变化，直径依次为
2R
，
2R+10
，
90mm
，电极直径为
90mm。3.
如权利要求1所述的一种有限元模型驱动的电流辅助真空钎焊精准控制方法，其特征在于，所述步骤
S1
中电极为纯铜，垫块
、
压头和模具为石墨，所述压头
、
模具与焊件之间的石墨纸，两个焊件之间的钎料箔片，石墨模具包裹的保温碳毡，安装在模具外表面盲孔内的测温热电偶均不定义在模型里，仅依次定义其接触条件，辐照散热边界条件以及在计算网格中的位置
。4.
如权利要求1所述的一种有限元模型驱动的电流辅助真空钎焊精准控制方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋奎晶，张铭雨，韦勇，季雨凯，刘鑫泉，王婷婷，王静雨，钟志宏，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：