tc4钛合金薄板激光焊接横向残余应力分布及变化规律的数值模拟

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1、西安焊接技术学会第三届学术年会论文集TC4钛合金薄板激光焊接横向残余应力分布及变化规律的数值模拟张可荣，李洪志，张建勋（西安交通大学材料科学与工程学院，西安710049）摘要：利用符合弹塑性本构关系的数学模型，施加高斯旋转曲面体热源，建立了符合实际激光焊接过程的有限元分析模型。通过改变激光功率、焊接速度、光斑直径的取值，探讨TC4钛合金横向残余应力的变化规律。通过分析残余与瞬态应力分布，揭示激光焊接塑性应变的形成与横向残余应力的分布规律。结果显示，激光焊接规范改变对接头横向残余应力的影响有限，TC4钛合金激光焊接头横向残余应力以压应力为主，且峰值不大，只有试板

2、两端出现了不利的横向残余应力分布模式。热源作用瞬间，位于已冷却部位的热源后部产生了压缩塑性应变。关键词：塑性应变；瞬态应力；焊接规范；应力梯度NumericalSimulationofTransverseResidualStressandVariationonTC4TitaniumAlloySheetbyLaserWeldingZhangKerong,LiHongzhi,ZhangJianxun(Schoolofmaterialsscienceandengineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an,710049)Abstrac

3、t：Mathematicalmodelwithelastic-plasticconstitutiveequationsisused,theGaussianrotatingcurvedfacebodyheatresourceisapplied,andafiniteelementanalysismodelmeetwiththerealisticlaserweldingprocessisestablished.Thevariationlawoftransverseresidualstressisexploredbychangingthelaserpower,weld

4、ingspeedandspotdiametervalueonTC4titaniumalloy.Theplasticstrainformationandthetransverseresidualstressdistributionaredisclosedbyanalyzingtheresidualandtransientstress.Resultsshowedthatthechangeoflaserweldingconditionhaslimitedimpactontransverseresidualstressonthejoints,TC4laserweldi

5、ngtransverseresidualstressiscomposedmostlybycompressivestress,andthepeakisnothigh,buttherehasnegativeresidualstressdistributioninthetransversemodeatbothendsofthetestplate.Thecompressionplasticstraininthecoolingsiteattherearoftheheatresourceisgeneratedatthemomentofheatresourceacting.

6、Keywords:plasticstrain;transientstress;weldingcondition;stressgradient5西安焊接技术学会第三届学术年会论文集0序言国家自然科学基金项目(50475093)激光焊接头具有很高的残余应力峰值和非常集中的高应力分布区域。在焊缝及近缝区存在着分布陡峭，变化非常剧烈的残余应力梯度状态。激光深熔焊伴随着快速多变的热循环过程，由此产生小孔效应。在小孔形成的瞬间，小孔的气态介质与包围小孔的液态熔池产生相互作用，在气液两相的结合面上由于材料属性及晶体参数的突变，会形成很大的能量与温度梯度。高的温度梯度对于塑性

7、应变及残余应力的形成有着重要的作用。而激光焊接过程形成的大梯度残余应力分布状态与激光焊接过程中的温度梯度与塑性应变梯度有着极为密切的关系。激光焊接中工艺参数的影响对于接头温度、应力的产生演变具有重要的作用。随着激光输入能量密度及焊接线能量的改变，接头残余应力与应力梯度的分布将产生很大的变化。因此研究激光焊接工艺参数改变对接头残余应力及应力梯度分布演变的影响，对于表征和揭示激光焊接大梯度残余应力的特点，找到控制大梯度残余应力发生的方法，都有着重要的作用。5西安焊接技术学会第三届学术年会论文集本文拟对航空航天常用材料TC4钛合金激光深熔焊接过程进行分析，在合理范围

8、内改变激光功率、焊接速率和光斑直径的数