完整平板的熱加工模擬分析

在本節將利用 ANSYS 軟體對完整平板做熱加工的分析模擬，而熱加工 路徑與分析模型分別如圖 3.2、3.5 所示。在完整平板上取出共九個量測點 其量測點位置分別標記為 11、12、13、21、22、23、31、32 與 33 如圖 3.6 所示。在此分析模擬中將討論有無考慮熱焓與空氣對流對模擬分析所造成 的影響。

圖 3.6 完整平板之量測點示意圖

在實際的加工情況中雷射雖然其負載半徑極小，但是仍為ㄧ區域負 載，因此以下將以局部的熱源負載與考慮熱焓，來做分析模擬以接近實際 的情況。在局部熱源部份，先以橢圓方程式模擬

( ) ( )

1

2 0 2

0 − =

− +

b y y a

x

x (3.1) 在 ANSYS 軟體中模擬熱源為雷射光源TEM00，其能量呈高斯分佈，經

過聚焦鏡後雷射光成圓形或橢圓型光源，而聚焦後的能量仍為高斯分佈，

分析範例 1：不考慮熱焓。

圖 3.8 分析範例 1 溫度圖 圖 3.9 分析範例 1 溫度梯度圖

圖 3.10 分析範例 1 應力圖 圖 3.11 分析範例 1 應變圖

圖 3.12 位置 11_21_31 應力圖 圖 3.13 位置 11_21_31 應變圖

圖 3.14 位置 12_22_32 應力圖 圖 3.15 位置 12_22_32 應變圖

圖 3.16 位置 13_23_33 應力圖 圖 3.17 位置 13_23_33 應變圖

分析範例 2：考慮熱焓。

圖 3.18 分析範例 2 溫度圖 圖 3.19 分析範例 2 溫度梯度圖

圖 3.20 分析範例 2 應力圖 圖 3.21 分析範例 2 應變圖

圖 3.22 位置 11_21_31 應力圖 圖 3.23 位置 11_21_31 應變

圖 3.24 位置 12_22_32 應力圖 圖 3.25 位置 12_22_32 應變圖

圖 3.26 位置 13_23_33 應力圖 圖 3.27 位置 13_23_33 應變圖

熱焓為一物體的重要性質之ㄧ，由(2.49)式可知如果在分析時考慮物體 的熱焓性質，也就能考慮到相的變化。當物體受高功率的雷射加工時，有 一部分的能量會拿來當作相變化的改變，此時溫度並不會升高。因此若是 有考慮相變化，則分析結果會得到較低的最高溫度、溫度梯度、熱影響區 與殘留應力。上述分析的結果與文獻[24]相符合。由圖 3.12 至 3.17 與圖 3.22 至 3.27 可得出以下的結論：

1. 比較位置11_12_13的應變量：

當雷射熱源經過量測位置 12 時，此三點量測點明顯受到壓縮的應變 量。位置 11 與 13 在熱源遠離後，其應變量逐漸恢復。而位置 12 則是迅速 恢復並且轉變成張應變，其原因是由於下ㄧ個熱源所產生的壓縮應變量，

迫使位置 12 受到張應變，然而位置 11 與 13 距離較遠因此影響較小。

2. 比較位置 21_22_23 的應變量：

由模擬的曲線可知，在雷射熱源開始移動但是尚未達到位 22 時，位置

21、22、23 的曲線呈現張應變。熱源經過時，則會稍微降低張應變，使曲 線往下滑落。而在熱源經過位置 22 後，又持續呈現張應變，直到雷射熱源 的遠離。

3. 比較位置 31_32_33 的應變量：

此三點位置位於加工路徑的末端，因此應變曲線只有在最後熱源即將 到達前產生張應變，但是到達位置 32 時，應變曲線又往下滑落。