盒體組件激光焊接的有限元仿真分析

中圖分類號：TP399；TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：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

在航空航天技術迅猛發展和軍事領域深刻變革的背景下，太空正逐漸成為現代戰爭的一個關鍵戰場，高性能的電子設備成為空間電子戰制勝的關鍵手段[]。由于太空環境的特殊性，對航空航天電子設備提出了更加嚴格的要求，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異的微波性能及高可靠性，需對微波組件進行密封處理。微波組件氣密性封裝工藝主要包括環氧膠粘接、釬焊、平行縫焊、電子束焊接和激光焊接等[2-3]。環氧膠具有一定的吸潮特性，其粘接性能在吸潮前后會出現顯著的變化，導致微波組件的氣密性無法長時間維持，因此目前已不再采用環氧膠粘接工藝進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在微波組件內部引入額外的錫膏、助焊劑、焊帶等多余物，同時由于釬焊溫度較高，可能對微波組件內部電路的長期穩定性造成影響；平行縫焊成品率高，價格低廉，常用于大規模生產，但其對焊接材料和組件形狀有特定要求，僅限于長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，不適合用于大規模生產；激光焊接是利用聚焦的激光束作為能量轟擊工件所產生的熱量進行焊接的方法。激光焊接過程具有熱影響區小、可靠性和密封性能優良和無接觸等特點，所以這種方法的生產效率高、焊縫性能優良，所有的焊縫強度達到或超過母材強度。綜上所述，激光焊接技術是對體積、質量和散熱性能有嚴格要求的航空和航天等軍用電子領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、高導熱要求，高硅鋁合金因其密度低、輕質、導熱性能優越、熱膨脹系數低和尺寸穩定性佳等特性，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生裂紋，因此對激光焊接參數和焊接面結構的敏感性非常高。同時，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蓋板變形嚴重，甚至殼體側壁出現裂紋等不良現象。因此有必要對激光焊接過程中殼體組件產生缺陷的原因展開深入研究。目前國內外對激光焊接的研究大多數專注于結構設計、工藝試驗和工藝設備，其中針對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驗研究[5-]，運用仿真手段進行激光焊接過程的研究案例尚較少。

隨著計算機計算能力和有限元技術的飛速發展，仿真焊接過程的條件日益成熟，數值仿真軟件在激光焊接工藝研究中的應用成了一種重要的研究手段。本文運用有限元仿真軟件，研究盒體組件在激光焊接過程中的溫度場、應力場、變形量場以及熔池形貌變化，從而為大尺寸封裝盒體組件的優化設計提供指導。

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

本文的研究對象為微波組件的盒體管殼結構，模型近似正方形，為避免盒體內部電路板、元器件受焊接過程激光影響造成損傷，蓋板與殼體設計為搭接結構，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，需要對盒體組件進行幾何簡化，簡化操作包括：

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 網格設置

在激光焊接過程中，高強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，使材料局部熔化實現焊接，只有局部區域的金屬材料經歷了溫度的快速變化，且在整個動態焊接過程中，只有激光束附近的區域處于高溫度梯度范圍內。因此在保證計算精度的前提下，采用疏密過渡的網格劃分方法來減少仿真過程中需要計算的節點數量，以此縮短計算時間。根據焊接區域，蓋板劃分為焊接層、過渡層和芯部層三部分，焊接層為焊縫區域，網格劃分較密，遠離焊縫的區域為芯部層，主要位于蓋板芯部，網格劃分較粗，其余區域為過渡層；殼體劃分為焊接層、過渡層及其余層三部分，與蓋板相似，焊接層為焊縫區域，網格較細，過渡層為焊接層周圍一定范圍的區域，剩下的區域為其余層，網格較粗。表1為網格設置詳細信息。

表1網格設置信息

運用專業的網格劃分工具進行四面體網格劃分，劃分后網格如圖2、圖3所示。

圖1搭接結構

圖2蓋板網格劃分結果

圖3殼體網格劃分結果

1.3材料設置

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展，因此對封裝材料提出了更高的要求，高硅鋁合金材料有較高熱導率、較低熱膨脹系數，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邊界條件及接觸設置

激光焊接仿真中的傳熱邊界、力學邊界和接觸邊界設置如表3所示。

表3邊界條件及接觸設置

1.5焊接參數設置

1.5.1焊接實驗條件

激光焊接質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]。

單個脈沖的能量等于脈沖波形在單個脈寬內的積分，功率密度為單位光斑面積內的峰值功率，即峰值功率、脈寬和脈沖波形共同影響單個激光光斑的能量[1]。激光脈沖峰值功率越大，功率密度越大，材料的溫升越快；但當激光脈沖峰值功率過大時，激光能量較大容易引起焊縫內熔池的劇烈汽化，熔融金屬形成飛濺現象；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，甚至出現未融合現象。因此為使得焊縫達到氣密性封裝的要求，應選擇適宜的激光脈沖峰值功率。同時，脈寬越寬，單脈沖的能量越大，熔池的熔深越大；為達到良好的焊接效果，應根據材料的熱導和激光反射能力和焊接程序選擇合適的脈沖波形。

每個激光脈沖都會形成一個熔斑，而熔斑的重疊率則由焊件的移動速度、光斑直徑和激光脈沖頻率共同決定[1]。高重復率有助于消除焊接區域內部的裂紋，并促進晶粒細化，從而提高焊縫的質量。

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系，因此在確定激光功率的同時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

本文中的激光焊接工藝涉及兩個工況，工況1為整體點焊，工況2為整體封焊。其中工況1的工藝路線及參數為：

1）從長邊中點開始逐點焊接，順序依次為1、2、3、4，如圖4所示。

2）4個點完成后，每間距 10mm 打一個點，打點位置不在拐角處出現。

3）打點功率為 7.24J/4ms 。

4）激光光斑直徑為 0.6mm 。

圖4工況1技術路線

工況2的工藝路線及參數為：

1）激光采用脈沖焊接方式，工作頻率 18Hz ，周期時間 65.5ms ，一個周期內激光打開時間為 5ms ，如圖5所示。

2） 5ms 內輸出能量為12.0J，輸出頻率為 1800W 。

3）從第一個點開始，沿四周開始順時針焊接，激光光斑移動速度為 4.5mm/s 。

圖5激光脈沖波形

1.5.3焊接參數處理

盡管激光焊接的質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置中，尚無一一對應的設置，因此需要對實驗條件和工藝參數進行轉換處理，得到有限元仿真軟件能夠設置的輸入。本文根據焊接工況及焊接參數，提出的方法如下：

1）工況1焊接參數轉換方法包括將焊接單點簡化為長度為激光光斑直徑的焊接軌跡，綜合網格劃分，即為3個相連節點為一條焊接軌跡；根據模型邊長及打點間距確定打點的焊接軌跡數量，現有24條焊接打點軌跡；依據焊接軌跡長度和打點功率，確定焊接移動速度為焊接軌跡長度/打點時間，即為 150mm/s; （20號焊接功率為打點功率，即瞬態功率 1810W ，效率0.8。

2）工況2焊接參數轉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速度4.5mm/s ；焊接效率為依據激光焊經驗值選擇0.85。

1.6 熱源設置

1.6.1 熱源工藝參數

本文中的激光焊接工藝涉及熱源參數信息獲取情況如下：

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 熱源信息轉換

焊接熱源模型是指在作用在工件上、在時間域和空間域上的熱輸入分布的數學描述，是進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速度，因此熱源中心前側的溫度梯度較大，而熱源中心后側的溫度梯度較小，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； b 表示前后半橢球的共有軸長； c 表示熱源高度； f₁ ， f₂ 表示前后半橢球的熱量分配系數，且 f₁+f₂=2.0 。

根據熱源工藝參數及有限元仿真軟件功能，對熱源信息進行轉換處理，熱源幾何尺寸轉換方法及具體設置如表4所示。

表4熱源參數設置

1.7計算設置

本文中選用的有限元仿真軟件的計算設置包括時間步設置、自適應網格設置以及并行計算設置。

時間設置包括焊槍工作時間、冷卻時間以及壓緊工裝工作時間，依據上述焊接路線和焊接工藝參數設置，焊槍工作時間段為 0～70.9s ，冷卻時間為70.9～300s ，壓緊工作時間為 0～100s 。

結合激光焊接動態工藝過程分析，在每個時刻只有焊接電弧附近的區域處在高溫度梯度范圍內。為提高計算效率，結合有限元仿真的特點，采用網格自適應技術將動態焊接區域內的網格劃分較密，設置熱源區域1.2倍范圍內全局細化，細化等級為1。

本文設置的并行計算方法為區域分解法（DDM）和共享內存法（SMP），DDM為模型被分解的域數，每個域被單獨的求解器求解，SMP為共享內存并行計算，該值為每個域使用的線程數，計算所用的核數即為DDM和SMP的乘積。

2 仿真結果分析

2. 1 溫度場分析

將蓋板焊線節點的溫度數據和蓋板沿X向軸線節點溫度數據進行提取，并進行繪圖分析，各點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，激光焊接是一個快速而不均勻的熱循環過程，在焊縫附近的溫度梯度較大；且由于散熱有限，焊縫的連續加熱使得焊線節點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。

圖7蓋板焊線節點溫度變化

圖8蓋板沿×向軸線節點溫度變化

2.2 應力場分析

圖9為第一條焊縫中熱源靠近起點、中點和末端的瞬態應力分布圖。

圖9第一條焊縫各點應力圖

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

2.3 變形量場分析

將焊線節點Y軸變形量數據和蓋板中心節點Y軸變形量數據進行提取，并進行繪圖分析，各點在激光焊接過程中的變形量變化如圖10和圖11所示。

圖10焊線節點Y軸變形量變化

圖11蓋板中心節點Y軸變形量變化

由圖10和圖11可知，沿Y軸方向，受焊接熱循環和熱累積的影響，焊線節點處變形量先快速上升后快速回落，最終趨于平穩；靠后的節點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，熔池形貌受結構特征而呈現不一致。

圖12焊縫1處熔池形貌

圖13焊縫4處熔池形貌

3結論

本文運用有限元仿真軟件對盒體組件激光焊接過程進行數值計算，激光焊接過程的溫度場、應力場、變形量場以及熔池形貌進行分析，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構的影響逐步提高。

2）激光焊接過程中應力的大小與焊點處的溫度變化相關，升溫區彈性應力較大，熔池區應力較小，凝固區應力較大。

3）激光焊接過程中，受焊接軌跡及盒體結構的影響，各區域的變形量趨勢不同。

4）激光焊接過程中，受盒體結構特征的影響，

特征不同，熔池形貌不同。

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