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1、第20卷 第3期航 空 材 料 学 报Vol.20,No.32000年9月 JOURNALOFAERONAUTICALMATERLALSSeptember2000GH909电子束焊接温度场的有限元分析郭绍庆 李晓红 毛 唯 颜鸣皋(北京航空材料研究院,北京100095)摘要:采用MARC有限元分析软件对GH909电子束焊接热过程进行了数值模拟。针对电子束焊不同于普通电弧焊的特殊加热方式,提出了小孔内壁受热的能量输入模式。与工件表面高斯分布的能量输入模式相比,该模式考虑了小孔形成对能量吸收的影响,因此所得到的模拟结果更好地
2、反映了电子束焊缝的形状特点。关键词:高温合金;电子束焊;数值模拟;温度场中图分类号:TG402;TG456.3文献标识码:A文章编号:100525053(2000)0320098204GH909作为一种新型低膨胀高温合金用于航空涡轮发动机机匣、涡轮外环以及封严圈、蜂窝支撑环等零部件的制造,可以缩小叶片与机匣封套之间的间隙,降低燃气损失,提高发动机的推力和效率。但是该类合金焊接时存在一定的焊缝结晶裂纹和热影响区微裂纹倾向。根据Prokhorov的焊接热裂纹理论,焊缝热裂纹的产生与否和焊缝金属在脆性温度区间(BTR)所承受的拉伸应变
3、密切相关。因此定量分析焊缝金属在凝固过程中的应力应变发展对研究材料的焊接热裂纹行为有重要的意义。但是由于焊缝凝固时温度高,而且又是一个动态过程,因此对焊缝凝固过程应力应变的实时测量十分困难。在这方面,数值模拟为我们提供了重要的研究手段。对焊接热过程的准确模拟是确保热应力分析可靠性的重要前提。同时,已有的研究表明,焊接加热速度对近缝区析出物(Nb,Ti碳化物)的组分液化有较大影响,从而对近缝区的[1]微裂纹倾向产生影响。因此,焊接热过程的数值模拟本身也具有重要的意义。以往对焊接热过程的数值分析主要是针对TIG焊等电弧焊接方法。在普
4、通电弧焊中,电弧能量通过焊件表面传入内部,焊件表面的能量输入呈高斯分布。而在电子束焊时,电子经过高电压加速获得高能量,再经过会聚透镜的聚焦形成能量高度集中的电子束射到工件的表面,电子与工件碰撞时将动能转化为热能,熔化金属实现焊接。高能量密度的电子束由于束斑直径小,加热区域集中,因而加热速度极快,所获得的温度峰值高,可以达到金属的沸点。电子束的冲击、金属蒸气的压力与液体表面张力平衡的结果是在熔池内形成一小孔。小孔的形成使焊接加热方式发生了极大的变化。电子束进入小孔后一部分能量被小孔壁直接吸收,其余部分发生镜面反射和漫反射。反射的能
5、量可以再次或者多次地与小孔壁发生碰撞,同时[2]伴随着能量的吸收与反射。最终还有一部分能量从小孔的开口处逃逸到外部环境。S.C. 收稿日期:2000206204;修订日期:2000208222 作者简介:郭绍庆(19692),男,博士。©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第3期 GH909电子束焊接温度场的有限元分析99Wang等人的研究发现,小孔壁上的能量吸收显著偏离高斯分布,小孔深度/开口半径比、吸[3]收率和镜面反射
6、率对能量吸收有显著影响。P.S.Wei等根据气2液相界面的能量和法向力平衡条件,采用有限差分法确定了高能束焊接小孔的形状,同时发现能流分布参数对焊接[4]小孔的形状、温度和沿小孔壁的传热分布有强烈的影响。C.Y.Ho等将小孔看作是带球形帽的圆锥体,不仅考虑了小孔壁的镜面反射和漫反射,还考虑了电子束的聚焦特点,确定[5]了更加贴切的能量传输模式。U.Dilthey也采用包含散射和反射的模型模拟了电子束焊[6]接过程。本文根据前人的研究成果,以抛物线回转体方程描述小孔形状,并认为能量通过小孔内壁传入工件。在此基础上,采用我院新引进的
7、大型通用MARC有限元分析软件,对电子束焊接热过程进行了初步的数值模拟,取得了较理想的结果。1 计算模型 模拟试件的尺寸为24mm×40mm×1.5mm,材料为高温合金GH909。焊接方法为真空电子束焊。采用不填丝的表面熔敷方式焊接。焊接速度v=10mm/s,电压U=60kV,电流I=12mA。由于试件关于焊缝中心线对称,只对其一半进行分析。三维有限元分析的网格划分具有4326个节点和3200个单元。热分析中考虑了凝固潜热。GH909的液相线温度为1400℃,固相线温度为1260℃,凝固潜热为297.6J/g。因为在真空中焊接
8、,试件的上下表面无对流换热,不考虑辐射换热。焊接时试件两侧与大厚度夹具接触,夹具吸收热量的能力强,使该处温度不易升高,因此位于侧边上的节点温度为一给定值,本文该值取为20℃。整个试件的初始温度为20℃。本研究为瞬态的三维热传导分析。采用自适应控制步长,每个时间步
