【本期推荐】华中科大蒋平教授团队：扁线电机紫铜端子激光焊接模拟与工艺优化

文章信息

引用本文:曹国麟,耿韶宁,蒋平,舒乐时,马涛,周溢飞.扁线电机紫铜端子激光焊接模拟与工艺优化[J].焊接学报,2025,46(4):41-51.

DOI: 10.12073/j.hjxb.20240125005

基金项目: 国家自然科学基金资助项目(U22A20196，52188102)；广东省基础与应用基础研究基金资助项目(2023A1515010081)；华中科技大学“交叉研究支持计划”项目(2024JCYJ001)

关键词：数值模拟；扁线电机；紫铜端子；激光焊接；响应面法

课题组介绍

华中科技大学蒋平教授大功率激光加工技术与装备团队，主要从事航空航天、船舶、新能源汽车等领域关键构件的高功率激光及其复合能场焊接、智能化激光焊接、水导激光精密加工等研究方向。团队在Nat Commun、J Manuf Syst、Acta Mater、机械工程学报、焊接学报等国内外期刊上发表论文100余篇，出版中英文专著3部，承担了国家重点研发计划项目、国基金联合基金重点项目、工信部高质量发展专项项目等。团队与武汉华工激光、锐科激光、新耐视等企业开展产学研用联合攻关，开发了系列激光焊接核心部件/系统和成套装备，得到了广泛应用。相关成果获得国家科技进步一等奖、机械工业科技进步一等奖、湖北省科技进步一等奖等。

扁线电机紫铜端子激光焊接模拟与工艺优化

曹国麟，耿韶宁，蒋平，舒乐时，马涛，周溢飞

华中科技大学机械科学与工程学院

制造装备数字化国家工程研究中心

研究背景

作为电气系统核心组件的驱动电机，其效率与功率密度的不足一直是一个亟待解决的问题。扁线电机因其高效率、高功率密度、优异的散热性能以及低噪声等显著优势，在电气化需求日益增长的背景下，已成为研究的焦点。在扁线电机的制造过程中，绕组铜端子的焊接质量尤为关键。然而，由于驱动电机具有高空间密度和较小的焊接区域，激光焊接技术虽然在定位精度和能量密度方面具有明显优势，但因其面临铜材料低光学吸收率和高热导率的挑战，导致焊接过程稳定性差，易产生气孔等缺陷。目前，相关研究主要侧重于工艺试验，缺乏对熔池波动和气孔形成机理的深入分析，同时，焊接工艺参数与接头性能之间的关系尚不明确。因此，开展针对这些问题的系统性研究显得尤为迫切。

试验方法

选用截面尺寸为3.9mm×2mm的TU1紫铜作为母材，焊接前对焊接区域进行打磨并用无水乙醇清洗。采用RFLC6600光纤激光器（最大输出功率6600W，波长1.07μm）和Newlaz 扫描焊接头（扫描速度6000mm/s）搭建焊接试验平台，利用 PhantomV611高速摄像机实时监测焊接过程。焊后对接头进行切割取样、镶嵌、磨样、抛光和腐蚀处理（腐蚀剂为 50% HNO₃+50% H₂O），通过体式显微镜观察焊缝横截面形貌。依据国家标准 GB/T39166-2020 制备机械剥离力测试试样，使用ZO-2000拉力机以0.025 mm/s 的速度进行测试，对照组为定点焊，扫描焊采用椭圆线轨迹，设定激光功率为4224 W、焊接时间为0.2 s等参数。

【本期推荐】华中科大蒋平教授团队：扁线电机紫铜端子激光焊接模拟与工艺优化 — **图 1 焊接试验平台**

数值模型建立

利用Flow-3d软件建立扁线激光焊接的传热-流动耦合数值模型，并对模型做了多项假设以简化计算。模型考虑了质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，并采用高斯热源模拟激光束。章节中还描述了激光束的追踪方法、母材对激光能量的吸收以及熔池流动的驱动力，包括反冲压力、表面张力和浮力等。模型使用了9.6 mm × 9.5 mm × 9 mm的立方体计算域，并对网格进行了精细划分以适应焊接区域和热传导变化。同时，章节中提到了确定热物性参数的方法，包括使用Jmatpro软件计算和参考文献修正。

试验结果与分析

通过对比试验与模拟结果，验证了数值模拟模型的有效性。重点分析了不同扫描轨迹对熔池演变行为、温度场动态变化以及气孔生成的影响。主要内容包括：1. 定点焊和椭圆线轨迹焊接的接头中心熔深对比，试验与模拟结果吻合度较高。2. 定点焊接头横截面呈漏斗形，椭圆线轨迹接头稳定，熔池形状更均匀。3. 气孔分布情况，定点焊生成A型气孔体积较大，椭圆线轨迹生成A型气孔体积较小，且B型气孔分布对力学性能影响较小。4. 椭圆线轨迹焊接接头的机械剥离力优于定点焊。5. 通过响应面法对椭圆线轨迹焊接参数进行优化，得到最佳工艺参数。