TC4钛合金激光焊缝形貌与残余应力数值研究-论文.pdf

《TC4钛合金激光焊缝形貌与残余应力数值研究-论文.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第43卷第4期稀有金属材料与工程Vo1．43，No．42014，正4月RAREMETALMATER【ALSANDENGINEERINGApril2014TC4钛合金激光焊缝形貌与残余应力数值研究李兴霞，王红玉2，张建勋2(1．河南机电高等专科学校，河南新乡453002)(2．西安交通大学金属材料强度国家重点实验室，陕西西安710049)摘要：针对激光深熔焊特点，采用均匀体热源模型、双椭球热源模型和组合热源模型，对TC4钛合金COz激光深熔焊的焊缝形貌和残余应力进行了数值与实验研究。结果表明：在进行激光焊缝形貌与

2、残余应力计算中，须根据激光焊接线能量选择激光热源模型，由此提出了均匀热源模型适合较大线能量，双椭球热源模型适合中等线能量，而组合热源模型适合较小线能量选择原则。组合热源模型和双椭球热源模型均能体现热输入随深度的递减变化，熔池轮廓呈现“圆锥”形和“钉子”形，均匀体热源的上下表面的残余应力分布基本一致，而双椭球热源和组合热源模型的下表面残余应力明显低于上表面。关键词：激光焊接；热源模型；钛合金中图法分类号：TG146．23文献标识码：A文章编号：1002．185X(2014)04．091105钛合金在焊接过程中，由

3、于局部加热和随后的快为了在数值模拟中正确选用热源模型，本工作采速冷却，必会在焊接工件上产生残余应力和变形，即用数值模拟和试验对比的方法，研究了激光焊接热源使是能量集中、焊接速度快的激光焊接仍存在残余应模型对TC4钛合金焊缝形貌和残余应力的影响。力和变形【】。】。残余应力可能引起脆性断裂、疲劳断裂1激光热源模型和应力腐蚀破坏，从而降低构件的强度和使用寿命。因此，对用于航空器的钛合金板焊接构件的残余应力(1)均匀体热源模型。均匀体热源即在焊缝单元和变形进行研究，显得尤为重要【4I5]。上加载均匀热流，使单位体积上的

4、热流或者热生成率由于激光焊接属于高能束深熔焊接，故当激光束恒定(如图1所示)[，，其热源计算公式如下：被聚焦到工件表面或表面以下某个位置时，焊件表面P／．、q(x，)=K·r／Ll被加热、熔化、蒸发。正是由于这种蒸发的存在，蒸7【气压力和蒸气反作用力克服熔化金属表面张力及液态式中，P为激光器功率；，7为激光焊接的热效率，，．为金属压力形成+TL。小孔的形成，使激光可直接辐射+TL半径，为三维模型向二维模型转换时的修正系至小孔深处，加强了熔池对激光能量的吸收，使原有数，经试算，值为0．695。d,TL的深度进一步

5、增加。因而，在进行数值模拟中描(2)双椭球热源模型。双椭球热源模型即热流密述焊接热输入过程时多采用体热源模型，如双椭球热度分布在双椭球形体积内。该热源模型能够反映出束源模型l6】、Gauss圆柱热源模型[7]和热流密度均匀分布的热源模型】等。与面热源模型相比，体热源模型考虑了深度方向上的能量吸收，因而能够获得较为准确的模拟结果。利用数值模拟的方法对激光焊接过程进行模拟时，温度场的计算尤为重要，它直接影响到焊接应力场的计算结果。有学者认为，焊接接头近缝区和热影响区的组织行为以及应力分布与焊缝形状有密切关系]，即焊

6、缝形状对试板的残余应力和变形产生图1激光焊接均匀体热源模型(u。M)了很大的影响。Fig．1Uniformheatsourceinlaserwelding(U-M)收稿日期：2013、04—21基金项目：国家自然科学基金项目(50875200)；国家教育部博士点基金(20100201110065)作者简介：李兴霞，女，1978年生，硕士，讲师，河南机电高等专科学校材料工程系，河南新乡453002，电话：0373．3392137，E-maillxx．cathy@163．com·912·稀有金属材料与工程第43卷流

7、沿深度方向对焊件进行加热的特点，也能反映激光输入功率在组合热源中需按一定比例分配，总热束移动特征，考虑了焊接束流的“挖掘”“搅拌”作用，流等于表面热流与体积热流两者之和[6】。即：因此可以对焊接温度场进行更为准确的模拟[1oJ1】。双+ev=P(6)椭球热源模型示意图见图2所示。由于模型的对称关Ps：yP，R=(1一r)P(7)系，模型沿Y轴前半部分和后半部分的椭球内部热流式中，、只，分别为面热源和体热源的功率。y为能密度分布相等为：量分配系数，即面热源功率占总有效输入功率的比值。(-3x2‘-3y2能量分配系

8、数表征了焊缝横截面上沿深度方向能量沉gr(，，z)：6x／3f：Prl_’(2)e．g，积的分布规律，它基本决定了焊缝截面形貌特征。故能abc，／量分配系数的取值非常重要，主要与激光深熔焊接时的离焦量、焊接速度以及热扩散系数等有关，y=0．57。，z)：哿(3)移动高斯面热源模型表达式为：aOc。7cq()：．exp(一x)(8)式中，a，b，cy,c为热源形状参数；兀％厂：——三一(