【硕士论文】钛合金激光搭接焊及数值模拟.pdf

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1、华中科技大学硕士学位论文摘要本文主要进行了TC4钛合金的搭接接头激光焊接实验研究,并进行了搭接接头激光焊热效应的有限元数值模拟。在搭接接头的激光焊实验中,分析了熔池的深度、表面宽度和结合面宽度随焊接工艺参数的变化的规律，并分析了接头微观组织特征，同时分析了接头区域的显微硬度及性能，采用应力释放法测量了焊接接头的纵向残余应力分布。本文采用商用有限元程序ANSYS对激光焊接热效应进行了模拟。模拟工作主要由两步组成：首先进行了一个非线性瞬态热传导过程分析，得到了搭接焊接头的温度场分布；然后在温度场的基础上，进行了一个准稳态的热弹塑性力学分析，得到焊件上的残余应力分布。激光深熔焊传热的本质特征

2、是小孔传热，并针对钛合金薄板焊接，建立了一个新的组合热源来模拟小孔传热，这个组合热源的上部是一个双椭球热源，下部是一个高斯圆柱热源。有限元模型中考虑了移动热源、对流辐射、相变潜热和随温度变化的材料热物理性能。如穿透焊接情况下，热源特征参数为：两热源的有效高度h1＝h2＝1.6mm、功率分配系数为3：2，小孔横向半径为0.8mm时，通过对比各焊接工艺条件下熔池的表面宽度、搭接面宽度和熔深，模拟结果和实验测得值相差约10％，这样验证了该热源模型合适钛合金的激光焊接温度场模拟。在温度场模拟的基础上，计算获得了搭接接头上的三维应力分布图，分析了激光焊工艺参数对残余应力的影响，与理论分析基本一致

3、。模拟结果表明：（a）焊后残余应力的分布有着很明显的边界效应，即焊接终了前存在一个低应力区，在焊缝终端残余应力出现较大波动；（b）激光线能量相当时，焊透状况下的残余应力比未焊透情况残余应力要大很多；（c）焊透状况下，即使激光功率相同，焊接速度越大，焊缝中心的残余应力越大，即残余应力对焊接速度很敏感，而对激光功率不敏感。在激光功率为1500W，焊速为2.0m/min时，通过对比模拟得到和实验测得的接头中部的纵向残余应力分布，两者趋势一致，残余应力方向转变的位置成比例相似，从而验证了模型的可靠性。关键词：激光焊接数值模拟TC4钛合金温度场残余应力I华中科技大学硕士学位论文1绪论自1960年

4、美国人发明第一台红宝石激光器以来，激光应用技术得到了飞速发展。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，与传统焊接方法相比，激光焊接具有以下优点：属于无接触加工，速度快，噪声小；能量高度集中，得到焊缝深宽比大，焊缝和热影响区小，同时保证了焊接接头具有很好的性能，焊接结构的变形小；可焊接难熔材料如钛、石英等；操控简单灵活，可与机器人和数控设备方便的组成加工系统。由于20世纪70年代前激光功率不高，主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型。高功率的CO2和高功率的YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域，获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢[1-3]铁等工

5、业部门获得了广泛的应用。钛及钛合金因密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀、无磁性、生物相容性好等优点，从20世纪50年代开始，由于航空航天技术的迫切需要，钛工业得到了迅速的发展。现在钛及钛合金不仅是航空航天工业中不可或缺的结构材料，在造船、兵器、电子、冶金、化工、医疗等军用及民用领域得到日益广泛的应用。近年来我国的钛合金研究与产业化发展十分迅速，2003年我国的海绵钛产量达到6000多吨。除了原材料生产的持续高速发展以外，钛合金的基础研究、加工制造、应用水平也逐[4]年提高。我国的钛资源储量丰富，相信以后钛合金的发展前景十分广阔。由于激光焊接的优点和钛合金材料焊接性能特点，激光焊接是目前应

6、用最广泛的钛合金连接加工技术之一。激光的加热方式是以高能束流冲击材料，能量密度比普通电弧焊高出几个数量级，加热和冷却速度也很快，使得焊缝宽度很小、深宽比很大，工件变形很小。由于激光焊接过程局部材料存在快热快冷的现象，使得焊接加热及其冷却过程中温度梯度很大，且钛合金材料具有韧性强、粘性大、导温导热性差、弹性模量小、化学亲和力强的特点，导致在焊接工件上产生变形和较大的残[5-6]余应力，而焊接残余应力可能引起脆性断裂、疲劳断裂和应力腐蚀破坏。如何调整和控制焊接残余应力一直是工程界广泛关注的问题，这是因为它的存在直接关系到焊接结构的安全可靠性。为此国内外许多研究者对焊接残余应力机理和分布规律

7、做了很多细致的工作，并取得了可观的成果。但是由于焊接过程和焊接构件的复杂性，长期以来人们通过实验的方法来研究残余应力的形成规律，这种方法费时费力，代价很高。随着计算机技术的高速发展，人们采取数值模拟的方法来预测焊接工艺参数、材料物理性能参数、相变等多因素是如何影响焊缝形貌及残余应力的大小和分布，并已经取得了很大的进展，这种方1华中科技大学硕士学位论文法为工业生产上预测焊接残余应力带来了新方法和新路子，并成为焊接领域的一个[7-10]研究热点。本