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玻璃CO2激光焊接的数值模拟与实验研究
摘要：
为不同的金属材料建立了用于连接复杂设备和桥梁间隙的填充线激光自动焊接。尽管如此，将这种焊接工艺转化为脆性材料玻璃仍然是一个挑战。因此，玻璃焊接通常是通过手工进行，用气体火焰加热玻璃。此外，非旋转元件的焊接需要填充物，以填补连接物体之间的间隙，这在现金是用手动完成的。
本文对以玻璃纤维为填充材料的石英电熔焊接进行了实验和数值模拟研究。其目的是要达到一个明确的焊缝熔深和热影响区，这对于光学元件的生产是非常重要的。因此，CO2激光器在温度控制焊接过程中加热玻璃元件和玻璃纤维。采用数值研究的方法对熔石英焊接的一般工艺窗口进行了识别.
在实验研究中，改变了焊接温度、激光焦点尺寸、进给速度等工艺参数，研究了它们对焊接结果的影响。此外，还研究了焊丝涂层对接头区焊接构件材料组成的影响。
与手工焊接相比，玻璃激光焊接作为填充材料的纤维导致高度可重复使用率，使自动化程度达到较高的水平。
介绍
玻璃元件的制造通常有一个连接过程。化学工业用的玻璃元件是复杂的三维器件，需要一个高度稳定的连接区，可以抵抗腐蚀性介质。用气体火焰进行人工熔合可能会影响焊接区的化学电阻。报道了用飞秒激光辐照玻璃体积中多光子吸收熔融玻璃的方法。由于飞秒激光辐射的非线性吸收特性，这一过程仅限于重叠接头和标准平板玻璃。用这种熔断工艺和间隙桥接在1 mm范围内不能实现焊接三维零件。超短激光脉冲将玻璃熔化在一个泪滴状区域，长度约为10至100mu;m.玻璃样品在2 MPa压力下进行超粘处理，将激光束精确地聚焦在玻璃板的接触区域上。这一技术不能用于生产用于化学工业的三维玻璃组件.采用超短激光脉冲焊接前试样的制备是不经济有效的，不能代替手工气体火焰法。
旋转对称玻璃组件可以在温度控制过程中使用CO2激光器进行熔融[3]，但不对称部件之间的连接没有填料是无法实现的。 在石英玻璃的线性焊接工艺中给出了。另外，焊接后的激光抛光步骤是不可避免的，从而延长了加工时间.[6]研究了碱石灰玻璃颗粒的选择性激光熔炼过程。以玻璃粉和玻璃长丝为添加剂材料进行了添加剂的制备研究[7]。通过对[6]和[7]研究结果的比较，发现玻璃长丝在表面质量方面是一种很好的添加剂材料。
因此，本研究采用玻璃纤维作为填充材料焊接非旋转玻璃元件在焊接状态下的高表面质量。其目的在于为一种稳定、可重复的热传导焊接工艺寻找工艺参数. 在调查了处理窗口之后，焊接采用温度控制。在这方面，设定表面温度以避免过热。研究给出了变量应用的工艺参数.例如，医疗设备需要焊接区域的穿透焊缝；光学元件需要确定的穿透深度应小于小热影响区。
2数值模拟
为了模拟玻璃的激光加热，确定合适的激光参数，采用有限元分析方法开发了激光加热的应用程序。激光在材料中的基本作用 加工是在工件中产生热量。数学模型描述了工件加热过程。模拟模型由一个玻璃板组成，其中激光束被施加； 不符合确切的实验过程，因为不包括玻璃纤维。因此，预计整体温度场将具有较高的数值。模拟材料内部热扩散方式的热传导方程求解边界对流，而CO2激光束则被模拟为热流。表1给出了熔融石英的一些技术性能：控制方程(1)是在三维中求解的热传导方程。
表1.室温熔融石英的技术性能[8]
机械/热数据
密度2.203克/厘米 Boiling point 2230 °C
软化温度1710°C 退火温度1220°C
应变温度1125°C 平均比热772 J/kgtheta;K
导热系数1.38W/mtheta;K 平均膨胀系数5.1x10-7k
在(2，3)中给出了边界条件。在边界(2)处考虑对流，其中n表示垂直于自然边界的方向，h表示对流换热系数。 T和Tinfin;环境温度。对于高斯光束剖面(TEM 00)，在施加激光束的平面上考虑附加通量(3)。对于高斯光束剖面(TEM 00)，在施加激光束的平面上考虑附加通量(3)。
在方程(3)中，i为1/4(4)，f_xo：xo：x_u：t_y。y：t；forall;t(5)，ao是假定为0.8[9，10，11]的激光吸收速率。r是光束半径，(xo，yo)是激光光斑的中心位置，Io强度的峰值在(xo，yo)。
在x和y方向上激光束的速度。帕夫格是瓦特的平均激光功率。石英玻璃的材料性能是从[8]源中提取出来的。
图中示出了具有编程工具的仿真。
为了对工艺窗口进行概述，基于ABO，对无玻璃纤维添加剂的板焊珠进行了模拟。 Ilsquo;rsquo;我说了方程式。在厚度t=2mm的玻璃板表面模拟了不同直径的激光束作为热源。用模拟方法对温度进行了研究。 玻璃表面和底部的竖模。目的是在不过热的情况下，寻找达到预期焊缝熔深的参数。在T=1800°C[9]附近的温度下达到足够的粘度。
图2所示的结果表明，焊接速度的降低导致表面和底部温度的升高是能量输入增加的原因。模拟模型中不考虑蒸发。 这样，就可以忽略超过玻璃蒸散温度的面积。该模型在不存在或不存在少量蒸发的情况下表现良好。很明显，点对点 TER对温度分布有较大的影响。在较小的光斑直径下，当表面温度超过e时，表面温度与底部温度之间产生较大的差异。 熔融石英的蒸发温度。该模型不包含每一项计算，因此可以忽略高于沸点的温度。但是，将这些结果转移到 在实际应用中，玻璃表面应广泛蒸发，应在较小的光斑直径下进行.在玻璃制造中，需要采用导热焊接工艺。 汽化被最小化了。模拟结果表明，激光光斑直径分别为8 mm和10 mm时，焊接效果较好。在这种情况下，达到所需的底部温度 表面的广泛过热。
2.1实验设置和实验
该激光焊接工艺以玻璃纤维为填充材料，CO2激光器为热源。图3说明了以玻璃纤维为添加剂的实验装置。洛杉矶 Ser光源的最大激光功率可达400 W
激光照射用透镜(f=254 mm)聚焦。如图3所示，激光辐射被应用于离焦位置，以达到5至12毫米的光斑直径。我们的实验 Re在温度控制和不加温度控制的情况下执行。在没有温度控制的情况下，激光功率在焊缝上是固定不变的。温控装置中的高温计 检测波长＝5.1mu;m的温度。因此，仅测量表面温度，而在表面下1毫米以下的材料中的温度可以较低（见图2）。温度 在PID反馈控制中，采用温度测量来调节激光功率。控制单元读取py-ro测量仪，并将激光功率设置为200 Hz频率.焊接速度在100 mm以下。 /min，即沿焊缝每8.3mm形成一次温度测量和激光功率控制。
试验中所用玻璃纤维直径为0.4mm。所述玻璃纤维具有一层厚度为50mu;m的纤维涂层。纤维喂入率 蚂蚁在所有实验中，vfif=300 mm/min。该参数在以往的研究中取得了很好的差距。
对于焊接玻璃元件，玻璃的粘度是重要的，以获得高质量的连接之间的连接伙伴。采用玻璃板(HSQ 100)焊接。 厚度为2.6毫米。这种玻璃材料的粘度在104-107，5d的theta;PAS之间，温度超过1800℃[9]。夸脱蒸发温度 Z玻璃的温度为2230°C，因此焊接区的温度应介于这两种温度之间。
本研究从加入玻璃纤维添加剂和不加玻璃纤维添加剂的钢板焊接焊缝入手，分别研究了对接接头和角部接头两种不同的焊接接头。
图4说明了测量方案，以确定几个过程参数的影响。图5示出角节点焊接过程的示例图像
3结果和讨论
图6显示了两个玻璃板对接结构的焊接过程中与激光功率有关的表面温度，以及作为填充材料的玻璃纤维。这个过程不是 温度控制。送丝速度为300 mm/min，焊接速度为30 mm/min。用激光光斑直径dpot=5mm，激光功率表示温度。 在40W到130 W之间，其他数据点表示激光光斑直径=8、10和12 mm。当激光功率远小于5mm时，表面温度随激光光斑直径的增加而升高。 玻璃材料的蒸发温度比激光光斑直径大。需要避免超过2230°C的蒸散面积的过热.图6所示的验证结果 模拟结果表明，激光光斑直径越大，加工窗口越大。然而，在相同的激光功率下，模拟计算出的温度高于在e中测量的温度。 西珀门特。作者预计，在模拟中没有考虑的送丝将成为进一步的冷却源。因此，将模拟和实验的过程窗口移除。 结果表明，用现有的模拟工具只能进行定性预测。
根据图6所示的结果，假设温度控制过程有一个大于5mm的温度控制窗口。较大的进程窗口通常为r。 因为他们更容易处理，所以在这个行业被划等号。
在下一次实验中，用玻璃纤维添加剂在板材上形成焊缝，研究激光功率和焊接速度对焊缝宽度和高度的影响(见图3和图g)。 。4)。焊接速度在20~100 mm/min之间。采用横截面法测量了板焊后焊缝的宽度和高度。
图7显示了激光光斑直径为8mm时焊缝宽度与激光功率的关系。
图8显示了相对于激光功率的焊缝高度。
实验表明，激光功率必须在特定的工艺边界内。在低激光功率下，所获得的粘度过高，无法实现材料的沉积和凝聚。在洛杉矶 Ser功率大范围蒸发。焊缝宽度(图7)与焊接速度和激光功率有关，焊接速度越小，激光功率越大，焊缝就越宽。 EAM宽度焊缝高度对焊接速度的依赖性较小，但激光功率越大，焊缝高度越小。
结果表明，随着激光功率的增加，焊缝宽度增大，焊缝高度减小。随着激光功率的增加，玻璃的粘度也随之降低，玻璃的结合部也随之增加。 里尔流，这解释了更大的焊缝宽度。因此，通过激光功率和焊接速度参数，可以调节玻璃材料的粘度，从而实现玻璃材料的流动。德佩 在间隙尺寸上，焊缝宽度必须提供间隙桥接和焊接接头之间的连接。另外，通过调整工艺参数，激光功率和焊接速度。 焊缝宽度小，热影响区小，这对于光学元件来说是非常重要的。
为了确定熔透深度，在下一次试验中进行了不加玻璃纤维添加剂、温度控制的对接焊。
图9示出了焊接速度与设定温度1850°C、1950°C和2050°C之间的穿透深度。焊接时速度和设定温度是不同的。大在设定温度下达到2.6mm的穿透深度焊接速度为10 mm/min，焊接温度为2050°C。考虑到这些结果，激光焊接-根据不同的玻璃厚度，可以识别出不同的玻璃厚度。对厚度增加的玻璃板进行焊接时到2.6mm时，焊接速度必须调整到VF=10当温度设定在2050°C时，可以以更快的速度达到较小的穿透深度。对于每一个应用程序，都有一个定义的渗透深度是可调的。有了涂层，玻璃纤维就可以在可再生的地方被喂入。进料速度和涂层防止玻璃破碎。遮住玻璃纤维。涂覆玻璃纤维节约准备时间，避免玻璃破碎。
因此，这一过程的进行方式是焊接时去除玻璃纤维的涂层。那意味着玻璃纤维涂层由相同的材料蒸发激光束，它也焊接玻璃部件。玻璃纤维是通过激光束将涂层加热到蒸发温度只有玻璃芯被供给该熔化区被用作间隙桥接填料。因此，需要一种没有有毒物质的涂层。大多数纤维涂层含有氟、有毒气体通过加热400°C以上的氟化物，一种玻璃纤维用不含氟的聚合物涂层的过程.
图10显示了edx分析的结果，在焊接区、玻璃表面和玻璃纤维涂层.分析结果为红色呈现的，七块玻璃板的表面是以分析作为参考测量（蓝色）和玻璃纤维涂料的分析用绿色表示。在比较了玻璃表面到焊接区，可以看到的是-碳的百分含量降到最低，这样可假定聚合物涂层完全燃烧。焊接角接头如图11所示。结果是-表面质量好，无需镀膜玻璃。焊接后配对。焊接后的激光抛光是不需要的。因此，与其他使用玻璃粉末添加剂的工艺。
4 结论
CO2激光熔凝石英激光焊接工艺研究经数值试验和实验验证。介绍-介绍了仿真工具对原理过程窗口的预测。更大的激光光斑直径会产生完全的熔深没有过热。
根据实验结果，我们有可能-CO2激光焊接熔石英的工艺窗口玻璃纤维用作缝隙桥接用添加剂。取决于所要求的穿透深度，过程的结果投资-玻璃可以使用玻璃来达到要求的质量。连接.根据进行的过程调查和结果表明，气体火焰法可以替代火焰法。该实验装置将在下一个将来使用。用CO2激光加热玻璃焊接头原料和供应的玻璃纤维作为填充材料.
感谢 :
KF 2186416CK3项目“介绍了玻璃纤维加料激光焊接的工艺基础。在“Zentry aler”程序的上下文中得到了适当的支持创新---MittelStand“ZIM(中央创新计划)”)由联邦经济部和科技（总称）.在这方面，我们还要感谢我们的项目伙伴们的良好表现。合作：石英玻璃在亚琛技术技术德国大学，国际展贸中心臧S＆F系统工程有限公司GmbH.我们还感谢协调一致地提供了激光源。
图1。板焊堆焊过程的模拟。激光光斑直径8mm；激光功率Pavg=60W；焊接速度VF=50 mm/min
图2.模拟表面和底部的最高温度在几个焊接速度和激光光斑直径和激光功率P=80W，工艺启动后5s
图3。实验装置方案
图4.横截面方案测量参数：焊缝焊缝宽度、焊缝高度和熔透深度
图5.两个玻璃板对角焊接过程的照片共同的，联合的
图6.玻璃纤维堆焊：最大表面激光光斑直径为5，8，10毫米和12毫米
图7.焊缝宽度与激光功率的关系激光光斑直径dSPOT＝8 mm，焊接速度为20, 40, 60、80和100毫米/分钟
图8.焊缝高度与激光功率的关系激光光斑直径dSPOT＝8 mm，焊接速度为20, 40, 60、80和100毫米/分钟
图9.无玻璃纤维温控对接焊接：熔深与表面焊接速度的关系1850°C，1950°C和2050°C的温度
图10.玻璃的能量色散X射线能谱(EDX)以表面为参照，焊接区和玻璃纤维涂层。
图11.两个玻璃板(厚度=2.1mm)焊接在角接头上焊接速度为VF=50 mm/min
参考文献
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Miyamoto I, Horn A, Gottmann J, Wortmann D, Yoshino F (2007) Fusion Welding of Glas
全文共7547字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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