航天功率电子产品的激光焊接工艺研究及优化

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航天功率电子产品一般采用薄壁的高硅铝合金材料作为壳体,通过激光焊接的工艺方式完成壳体的封装。在壳体的激光焊接过程中,容易引起壳体内部温度过高的现象,这可能会导致壳体内部的电子元器件失效。在激光焊接过程中,也容易出现壳体局部应力过大现象,这会导致壳体产生微裂纹而影响焊接质量。因此,对高硅铝合金薄壁壳体的激光焊接工艺展开研究具有非常重要的意义。论文建立了高硅铝合金薄壁壳体的三维实体模型,再通过网格划分生成有限元模型,并定义了激光焊接的初始条件和边界条件。通过JMatpro软件计算得到了盖板和壳体在高温条件下的材料性能参数。研究并确定了模拟激光焊接的热原模型,并给出了热源模型的主要参数。参考某研究所对此类薄壁壳体的实际焊接工艺参数,论文给出了四种不同的激光焊接顺序,并在壳体模型上依据这四种不同的焊接顺序模拟了激光焊接过程,得到了不同焊接顺序下的温度场及应力场,经对比分析选择出一种最优的焊接顺序。在确定最优焊接顺序的基础上,采用单因素分析法研究了焊接速度、焊接功率、焊接间隔时间等激光焊接工艺参数对壳体温度场和熔池形态的影响。设计了三因素三水平的正交试验方案,对这三个工艺参数进行了优化,得到了一组能实现最佳熔池形态的焊接工艺参数。在该焊接工艺参数下,壳体侧壁最高温度及壳体表面最大应力也满足技术要求。针对激光焊接过程中壳体模型四个拐角处温度较高的现象,在原壳体模型的基础上对其四个拐角的结构进行了优化。给出一种倒角半径和不同的倒角深度,对新壳体模型重新进行激光焊接模拟仿真。发现当倒角深度为3mm时,可以有效降低壳体拐角处的温度和壳体表面应力。依据优化的激光焊接工艺参数以及优化后的壳体模型,进行真实的激光焊接实验,经测试焊接效果良好。论文以壳体温度和应力为约束条件,以熔池形态最优为目标,仿真得到了最佳的激光焊接工艺方案,实际激光焊接实验证明了研究内容的正确性。论文研究内容为激光焊接工艺优化提供了新思路。
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