真空铝钎焊过程温度场的有限元数值仿真

引言 真空铝钎焊具有变形小、 无污染和自动化程度 高等突出优点，广泛应用于军民品板翅式铝散热器、 电子机箱和微波天线的制造。 传统的真空铝钎焊热 循环工艺参数的选取和工装都采用实验法和经 验公式进行计算得出，它具有成本高、工艺周期长， 加热循环过程中的具体温度场分布和变形情况不可 预知等缺点。 利用数值仿真的再现生产过程、 优化工艺参数无疑会具有显著的优越性， 通过有限 元方法进行真空铝钎焊过程焊接温度场和应力 及变形进行数值仿真分析， 可对钎焊工艺参数及工 装进行优化设计，控制产品的最终焊接变形。 真空铝钎焊炉属于真空热处理炉的范畴， 与加 热有关的钎焊工艺参数以及组件上各部位实际的温 度—时间分布关系都会对焊接质量造成影响， 主要 包括：①加热滞后时间问。 工件越多、质量体积越 大、 夹具复杂等都会导致工件上的钎焊均温时间越 真空铝钎焊过程温度场的有限元数值仿真 钟茅 1,2，邹吾松 2 （1. 上海交通大学 机械与动力学院，上海 200030 2. 中航雷达与电子设备研究院，无锡 214063） [摘 要] 提出了一个描述真空铝钎焊炉温度场的非线性有限元模型，该模型综合考虑了辐射传热、材料热 物性随温度变化等非线性因素的影响。 利用有限元软件 ICEPAK 和 FLUENT 对卧式真空铝钎焊炉的温度 场进行了模拟计算。 对炉温均匀性进行了验证，完成了焊接生产模拟件的数值仿真和实验测量，模拟结果与 实验结果吻合较好。 [关键词] 真空铝钎焊炉；工艺参数；温度场；有限元；数值仿真 [中图分类号]TG454，TP391.9 [文献标识码]B [文章编号]1003-5451（2008）06-0038-04 FE Numerical Simulation of the Temperature Field of Vacuum Aluminium Brazing Process ZHONG Mao, ZOU Wu-song （1. College of Mechanical and Power Engineering，Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030 2. Radar and Avionics Institute of AVIC, Wuxi 214063） [Abstract] A non-1inear finite element (FE) model for describing the temperature field of vacuum aluminium brazing furnace was developed on the basis of considering the effect of nonlinear factors, such as thermal radiation and temperature-dependent properties of material．The temperature field of horizontal vacuum aluminium brazing furnace was calculated by finite element software ICEPAK & FLUENT．The uniformity of furnace temperature was validated，The numerical simulation of model and testing experiment was completed. The simulated results agree well with the experimental results． [Keywords] vacuum aluminium brazing furnace; technical parameter; temperature field; finite element; numerical simulation 航空精密制造技术 ＡＶＩＡＴＩＯＮ ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２００8年 12月 第 ４4卷 第 6期 Dec． ２００8 Ｖｏｌ． ４4 Ｎｏ． 6 ·38· 《航空精密制造技术》２００8年第 ４4卷第 6期 长，而且工件上各处到达均温点的时间差也会越大。 ②焊接托板的变形。 热循环过程中托板的变形会影 响精密产品焊后的平面度和焊缝质量。 ③升温速率 对钎焊质量的影响。 在热升温过程中组件内部温度 上升速度较慢，与表面温度相差很大，升温速度过快 或过慢，都会影响钎料熔化、流动的效果，从而影响 焊缝质量。④钎焊温度对钎焊质量的影响。钎焊时， 希望产品每处焊缝的温度均匀趋于一致， 满足焊接 要求且相邻间的温度差越小越好。 ⑤钎焊保温时间 对钎焊质量的影响。 本文提出了一个真空铝钎焊炉的非线性有限元 模型，考虑了辐射传热的非线性、材料热物性随温度 变化等因素的影响， 用有限元法模拟计算某卧式真 空热处理炉的温度场， 并进行炉温均匀性实验测量 来加以验证， 在此基础上进行焊接生产模拟件的数 值仿真和实验验证。 1 真空铝钎焊炉有限元模型的建立 1.1 真空炉物理模型 我单位生产用的某卧式真空铝钎焊炉, 有效工 作空间尺寸（L×W×H）:1300×1000×800mm，如图 1所 示，该炉采用六面加热多区控温，加热元件选用镍铬 合金带，隔热反射屏为至少 3层光亮不锈钢板，底部 为工件托架， 六区控温热电偶基本分布在六面加热 带中间。 图 1 真空炉结构示意图 真空热处理炉温度场是一个复杂的非线性问 题，其非线性主要来自以下两个方面：①建筑炉材料 的热物性参数(导热系数、密度、比热容)随温度的变 化而变化； ②换热系数中与温度有关的辐射换热和 对流换热。 边界条件包括：内壁和表面边界条件：热 流密度，温度，传热系数，辐射和对称边界条件；时间 相关和温度相关的热源；随时间变化的环境温度。 在真空传热过程中所采用热传导方程表达式为 ρCp 坠T 坠t = 坠 坠r （λ 坠T 坠r ）+ λ r 坠T 坠r + 坠 坠Z （λ 坠T 坠Z ） （1） 式中：T———温度； t———时间变量； A———材料的导热系数。边界条件数学表达式 q=σε（T4Γ-T4∞） （2） 式中：σ———Stefan-Boltzmann 常数； ε———表面辐射效率； ＴΓ和 Ｔ∞———辐射表面和该辐射面进行热量交 换的环境介质温度。 初始条件表达式为 T l=0 =T0 （3） 式中： T———已知温度是常数。 1.2 真空炉加热有限元模型 根据使用经验和加热炉的特点， 在建立模型时 采用了一些简化条件：①忽略炉体的密闭性、金属隔 热屏中喷气孔等影响；②加热过程中忽略对流换热， 加热带和工件之间只有辐射换热。 图 2 显示了用 Icepak软件绘制的真空铝钎焊炉和测温热电偶相对 位置图。 其中 1、2、3、4、5为测温热电偶。 模型中网 格采用 8节点， 轴对称线性 6边形单元来描述。 在 炉壁结构过渡位景置采用细分网格， 以提高计算精 度。 图 2 真空炉仿真模型 本文采用 ICEPAK 能方便计算热辐射视角系 数，并利用增量迭代法，采用足够小的时间步长使迭 代容易收敛从而得到正确结果。 真空炉仿真按下面的要点建立模型： ①将真空 炉的整个炉壁和加热片建模为简单二维热源； ②将 真空炉的温控曲线直接设为模型中二维热源的输入 温度；③将真空炉的支架简化为 4根长条，去掉一些 ·39· 不影响热仿真的小零件； ④将仿真模型中空气的物 性参数，如热传导设为 1e-5 W/mK、密度设为 1e-5 kg/ m3来模拟真空环境。 2 真空炉加热模型数值仿真结果与分析 2.1 加热循环过程控制 采用热流作为边界条件，直接加到加热元件上。 利用 ICEPAK中的辐射角系数的自动计算功能和丰 富的的材料物性数据库， 实现了虚拟真空铝钎焊炉 加热的智能化 PID控制。 根据热处理炉温均匀性九 点测温方法进行测温。 由于采用三维有限元模型， 所以热电偶布置只取 5 点。 热电偶的摆放如图 2所 示。 监控热电偶的温度变化模拟曲线如图 3 所示。 分为三个升温段和三个保温段，然后炉冷。 图 3 监控热电偶的 PID 控制 2.2 炉温均匀性 按测试炉温均匀性的九点测温法， 对真空热处 理炉内炉温监控热电偶温度模拟值与实验值进行比 较。控制仪设定温度允许偏差±3℃。各测温热电偶实 验值超过设定点的最大值温度 3℃ ， 低于设定点的 最大值温度为 5℃； 各测温点仿真值超过设定点的 最大值温度 4℃ ， 低于设定点的最大值温度为 5.5℃，实验结果与仿真结果吻合较好。 说明了所建 立的真空炉仿真模型与是实际生产要求相符合，能 满足后续产品仿真的需求。 3 实例仿真计算和实验分析 3.1 工件的温度场仿真和实验 实际的生产情况一般是将装配好的焊接组件 （铝材）平稳放在不锈钢制夹具托架上，工件上表面 施加一定的压力负载。 我们先进行常用工件（铝材） 的温度场仿真和实验， 目的是验证在真空炉中工件 所设置的物理参数、材料性能和仿真方法的正确性， 因为辐射传热中材料表面辐射率和形状系数对温度 的影响较大。 以某 LY12 材料零件为例， 采用该模型模拟了 整个温度场变化过程。 将一尺寸为 330mm×70mm× 12mm、 材料为 LY12 的铝块放入真空炉内加热，试 验工艺曲线采用图 3 的加热曲线。 Icepak 仿真计算 共有 49544 节点，求解时间约 3h。 图 4 显示时间历 程 220min， 炉壁 480°C 时两个零件的温度场分布。 用仿真模型计算后得出图 5 所示曲线， 图中给出了 工件同一位置的实测热电偶（LTC1）和仿真值实验 值的比较曲线，每 5min 采样一个数据（便于显示）。 所得曲线均在实验值的±10℃，除在 100°C 下，其余 相对偏差±3％内。 据此结果，可以得出以下实验结论： ①该仿真模型和仿真方法是正确的。 ②模型中所设置的真空炉壁和铝物性参数是合 适的。 图 4 铝试件瞬态热温度场分布云图 图 5 仿真和试验对比数据 3.2 夹具材料的温度场仿真和实验 采用类似于铝工件温度场仿真和实验的方法， 在工件上放置不锈钢夹具， 用两个相同的组件进行 对比试验。 组件一的夹具和工件紧贴，包含热阻；组 件二的夹具和工件不紧贴， 中间留间隙约 1mm，由 于处于真空环境中， 夹具和工件之间无对流介质而 且温度相差不大， 从而夹具和工件之间没有传导只 真空铝钎焊过程温度场的有限元数值仿真 ·40· 《航空精密制造技术》２００8年第 ４4卷第 6期 有微弱的辐射， 所以可以认为热阻非常大。 设置组 件二的目的只是为了考察“接触热阻”在无穷大时的 组件间的传热现象， 从而和组件一进行对比。 通过 有限元仿真、 实验测试温度—时间的关系验证其表 面辐射系数、 工件间的接触热阻和不锈钢的物性参 数对传热的影响。 在组件一的图示位置预设热电偶 LTC1 和 LTC5；在组件二对应位置设 LTC2和 LTC12。 试验工 艺曲线采用图 3 的加热曲线。 仿真计算共有 59122 节点，求解时间约 4h。 图 6显示时间历程 245min，炉 壁 500°C时两个组件的温度场分布。 用仿真模型计 算后得出图 7和图 8所示曲线，每 5min采样一个数 据。 所得曲线绝大部分在实验值的±10℃（相对偏差± 3％）内，部分为±15℃，图 7、图 8 为各点测温仿真计 算值和试验测试值的比较曲线。其中图 7的 LTC1的 仿真值在曲线末端偏离试验值约有-20℃，经过再一 次相同的实验证明：试验所用的真空炉在 500℃时温 度保持的控制偏上限。 所以会造成试验值和仿真值 之间的差距。图 5中的 LTC1试验值超过了真空炉的 设定值也是该现象佐证。经过修正热源在 500℃的真 实温度后，仿真结果在真实值的±10℃内。 据此结果，可以得出以下实验结论： ①该模型中所设置不锈钢的物性参数是合适 的。 ②该模型中所设置的不锈钢和铝件之间的接触 热阻是合适的。 从而推断：该仿真模型可以应用于类似组件、类 似加热情况的虚拟仿真计算。 图 6 工件带夹具瞬态热温度场分布云图 图 7 仿真和试验对比数据 图 8 仿真和试验对比数据 4 结论 ①建立了真空热处理炉有限元模型， 对炉温均 匀性进行了数值模拟计算， 模拟结果与实验结果吻 合较好。 ②利用该模型对实际工件温度场进行了数值模 拟计算， 模拟结果与实验结果吻合较好。 说明了本 文所建立的真空炉传热模型的准确性。 ③考虑到实际生产中不锈钢夹具和工件铝材之 间存在压力和接触热阻，通过仿真计算和试验，数值 模拟计算结果与实验结果吻合较好， 说明对边界条 件的施加，材料特性的定义是可行的。 采用有限元法能够正确模拟真空铝钎焊炉加热 循环过程中的非线性温度场分布， 可为热循环曲线 工艺参数的优化选取提供了新的方法和途径， 对工 装的设计和使用， 生产时的炉内装载以及成本控制 具有一定的指导意义。 对于应力场和变形的数值分 析将在下一步进行。 参考文献： ［1］ 王明伟，张立文，江国栋，张利生，李辰辉，张凡云，张尊 礼 ．真空热处理炉温度场的有限元数值模拟［J］．机械科学与 技术，2005，6. ［2］ 匡琦，潘健生，叶健松 ．热处理炉温度场的三维数值模拟 [J]．工业加热，2000．1. ［3］ 汪方宝，梁宁，鞠金山 ．平板裂缝天线制造技术研究［J］. 电子机械工程，2004，4． ［4］ 陈虎，龚建鸣，耿鲁阳，涂善东．板翅结构钎焊残余应力与 热变形的有限元分析［J］．焊接学报，2006，11． ［5］ 许华仪 ．真空热处理工艺 ［Ｍ］．北京 ：机械工业出版社 ， 1986，10 （收稿日期 2008-09-12） ·41·