鈦合金激光搭接焊及數(shù)值模擬

1、 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 摘 要 摘 要 本文主要進(jìn)行了TC4鈦合金的搭接接頭激光焊接實(shí)驗(yàn)研究,并進(jìn)行了搭接接頭激光焊熱效應(yīng)的有限元數(shù)值模擬。 在搭接接頭的激光焊實(shí)驗(yàn)中,分析了熔池的深度、表面寬度和結(jié)合面寬度隨焊接工藝參數(shù)的變化的規(guī)律，并分析了接頭微觀組織特征，同時分析了接頭區(qū)域的顯微硬度及性能，采用應(yīng)力釋放法測量了焊接接頭的縱向殘余應(yīng)力分布。 本文采用商用有限元程序 ANSYS 對激光焊接熱效應(yīng)進(jìn)行了模擬。模擬工作主要由兩步組成：首先進(jìn)行了一個非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過程分析，得到了搭接焊接頭的溫度場分布；然后在溫度場的基礎(chǔ)上，

2、進(jìn)行了一個準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的熱彈塑性力學(xué)分析，得到焊件上的殘余應(yīng)力分布。 激光深熔焊傳熱的本質(zhì)特征是小孔傳熱，并針對鈦合金薄板焊接，建立了一個新的組合熱源來模擬小孔傳熱，這個組合熱源的上部是一個雙橢球熱源，下部是一個高斯圓柱熱源。有限元模型中考慮了移動熱源、對流輻射、相變潛熱和隨溫度變化的材料熱物理性能。如穿透焊接情況下，熱源特征參數(shù)為：兩熱源的有效高度h1h21.6mm、功率分配系數(shù)為 3：2，小孔橫向半徑為 0.8mm時，通過對比各焊接工藝條件下熔池的表面寬度、搭接面寬度和熔深，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測得值相差約 10，這樣驗(yàn)證了該熱源模型合適鈦合金的激光焊接溫度場模擬。 在溫度場模擬的基礎(chǔ)上，計(jì)算獲得了搭

3、接接頭上的三維應(yīng)力分布圖，分析了激光焊工藝參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響，與理論分析基本一致。模擬結(jié)果表明： （a）焊后殘余應(yīng)力的分布有著很明顯的邊界效應(yīng)，即焊接終了前存在一個低應(yīng)力區(qū)，在焊縫終端殘余應(yīng)力出現(xiàn)較大波動； （b）激光線能量相當(dāng)時，焊透狀況下的殘余應(yīng)力比未焊透情況殘余應(yīng)力要大很多； （c）焊透狀況下，即使激光功率相同，焊接速度越大，焊縫中心的殘余應(yīng)力越大，即殘余應(yīng)力對焊接速度很敏感，而對激光功率不敏感。在激光功率為 1500W，焊速為 2.0m/min 時，通過對比模擬得到和實(shí)驗(yàn)測得的接頭中部的縱向殘余應(yīng)力分布，兩者趨勢一致，殘余應(yīng)力方向轉(zhuǎn)變的位置成比例相似，從而驗(yàn)證了模型的可靠性。 關(guān)鍵詞

4、關(guān)鍵詞：激光焊接 數(shù)值模擬 TC4 鈦合金 溫度場 殘余應(yīng)力 I 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 1 緒 論 1 緒 論 自1960年美國人發(fā)明第一臺紅寶石激光器以來， 激光應(yīng)用技術(shù)得到了飛速發(fā)展。激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一，與傳統(tǒng)焊接方法相比，激光焊接具有以下優(yōu)點(diǎn)：屬于無接觸加工，速度快，噪聲??；能量高度集中，得到焊縫深寬比大，焊縫和熱影響區(qū)小，同時保證了焊接接頭具有很好的性能，焊接結(jié)構(gòu)的變形??；可焊接難熔材料如鈦、石英等；操控簡單靈活，可與機(jī)器人和數(shù)控設(shè)備方便的組成加工系統(tǒng)。由于 20 世紀(jì) 70 年代前激光

5、功率不高，主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬熱傳導(dǎo)型。高功率的CO2和高功率的YAG激光器的出現(xiàn)，開辟了激光焊接的新領(lǐng)域，獲得了以小孔效應(yīng)為理論基礎(chǔ)的深熔焊接，在機(jī)械、汽車、鋼鐵等工業(yè)部門獲得了廣泛的應(yīng)用1-3。 鈦及鈦合金因密度小、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、無磁性、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，從 20 世紀(jì) 50 年代開始，由于航空航天技術(shù)的迫切需要，鈦工業(yè)得到了迅速的發(fā)展?，F(xiàn)在鈦及鈦合金不僅是航空航天工業(yè)中不可或缺的結(jié)構(gòu)材料，在造船、兵器、電子、冶金、化工、醫(yī)療等軍用及民用領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。近年來我國的鈦合金研究與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展十分迅速，2003 年我國的海綿鈦產(chǎn)量達(dá)到 6000 多噸。

6、除了原材料生產(chǎn)的持續(xù)高速發(fā)展以外，鈦合金的基礎(chǔ)研究、加工制造、應(yīng)用水平也逐年提高。我國的鈦資源儲量豐富，相信以后鈦合金的發(fā)展前景十分廣闊4。 由于激光焊接的優(yōu)點(diǎn)和鈦合金材料焊接性能特點(diǎn)，激光焊接是目前應(yīng)用最廣泛的鈦合金連接加工技術(shù)之一。激光的加熱方式是以高能束流沖擊材料，能量密度比普通電弧焊高出幾個數(shù)量級，加熱和冷卻速度也很快，使得焊縫寬度很小、深寬比很大，工件變形很小。由于激光焊接過程局部材料存在快熱快冷的現(xiàn)象，使得焊接加熱及其冷卻過程中溫度梯度很大，且鈦合金材料具有韌性強(qiáng)、粘性大、導(dǎo)溫導(dǎo)熱性差、彈性模量小、化學(xué)親和力強(qiáng)的特點(diǎn)，導(dǎo)致在焊接工件上產(chǎn)生變形和較大的殘余應(yīng)力，而焊接殘余應(yīng)力可能引起

7、脆性斷裂、疲勞斷裂和應(yīng)力腐蝕破壞5-6。 如何調(diào)整和控制焊接殘余應(yīng)力一直是工程界廣泛關(guān)注的問題，這是因?yàn)樗拇嬖谥苯雨P(guān)系到焊接結(jié)構(gòu)的安全可靠性。為此國內(nèi)外許多研究者對焊接殘余應(yīng)力機(jī)理和分布規(guī)律做了很多細(xì)致的工作，并取得了可觀的成果。 但是由于焊接過程和焊接構(gòu)件的復(fù)雜性，長期以來人們通過實(shí)驗(yàn)的方法來研究殘余應(yīng)力的形成規(guī)律，這種方法費(fèi)時費(fèi)力，代價很高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，人們采取數(shù)值模擬的方法來預(yù)測焊接工藝參數(shù)、材料物理性能參數(shù)、相變等多因素是如何影響焊縫形貌及殘余應(yīng)力的大小和分布，并已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，這種方 1 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩

8、 士 學(xué) 位 論 文 法為工業(yè)生產(chǎn)上預(yù)測焊接殘余應(yīng)力帶來了新方法和新路子，并成為焊接領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn) 7-10。 本文主要對國內(nèi)應(yīng)用最廣的 TC4 鈦合金激光焊接進(jìn)行研究，通過實(shí)驗(yàn)制定合適的焊接工藝規(guī)范；研究激光焊接工藝參數(shù)對焊縫形貌的影響規(guī)律；建立激光焊接的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用 ANSYS 進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測焊縫形成及焊后殘余應(yīng)力的大小和分布。 1.1 鈦合金的焊接性分析 1.1 鈦合金的焊接性分析 鈦有“第三金屬”之稱, 其最大優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度大，同時還具有良好的耐腐蝕性。在航空工業(yè)中主要用于制造壓氣機(jī)葉片、盤以及某些緊固件等，當(dāng)合金中的氧、氮元素控制到低含量時，還能在低溫（196）保持良好的塑性

9、。但是鈦合金在高溫下對氧、氮、氫具有極大的親合力，這給焊接帶來了一定的難度。以下是鈦合金在焊接的主要特點(diǎn)4： (1) 高溫時鈦對氣氛的高活性 鈦是一種活潑金屬,鈦對氧、氮、氫的親活力大大超過鐵對這些元素的親活力，鈦在 300以上極易與氫反應(yīng), 600以上極易與氧反應(yīng), 700以上極易與氮反應(yīng)。氮和氧在相當(dāng)寬的濃度范圍內(nèi)與鈦形成間隙固熔體,強(qiáng)烈的降低金屬塑性，并增加其硬度；鈦吸收氫形成鈦化氫，增加金屬中的氫含量，從而劇烈降低其韌性，增大形成冷裂紋和時效裂紋的趨勢。這些元素的間隙雜質(zhì)在特殊情況下還能引起焊縫的脆性裂斷。而空氣中含有大量的氧和氮, 因此在焊接高溫下鈦很容易被氧化。焊接時焊縫金屬和高溫

10、近縫區(qū), 不管是正面還是背面, 如果不能受到有效的保護(hù), 就很容易受到空氣等雜質(zhì)的沾污而發(fā)生脆化。尤其是焊縫區(qū), 一旦受到雜質(zhì)沾污, 其脆化程度會更嚴(yán)重37。 (2) 加熱時晶粒長大的傾向大 鈦合金加熱到高于轉(zhuǎn)變的臨界溫度時，晶粒長大的開始瞬間，是以晶界突跳式位移的方式進(jìn)行的。隨著晶粒尺寸的增加，晶粒長大的速度減慢，但隨著溫度的提高，晶粒長大的速度又重新加快。一般而言，常規(guī)焊接方法加工的鈦合金焊接接頭晶粒都很粗大。 鈦合金焊接時熱影響區(qū)中晶粒長大，首先取決于最高加熱溫度，以及在此溫度下的停留時間和近縫區(qū)的冷卻速度，對晶內(nèi)組織和晶粒尺寸會產(chǎn)生顯著的影響，而對晶內(nèi)組織的影響又遠(yuǎn)大于對晶粒尺寸的影響

11、。 在靠近熔合線的熱影響區(qū)內(nèi)，晶粒長大使焊接接頭的強(qiáng)度和塑性降低。鈦合金焊縫和近縫區(qū)金屬的粗大結(jié)晶組織，在隨后的加工中亦將導(dǎo)致性能降低。 (3) 焊縫接頭冷卻時形成脆性相 2 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 焊接時發(fā)生在熱影響區(qū)內(nèi)的組織轉(zhuǎn)變類似于基體金屬淬火時組織轉(zhuǎn)變的過程。根據(jù)合金化元素含量和熱處理范圍的不同，鈦合金能形成以下的亞穩(wěn)定相:， ，和。由于這些相能顯著地改變近縫區(qū)金屬的性能11，因此選擇能避免在近縫區(qū)的最終組織中產(chǎn)生脆性和不穩(wěn)定相的焊接規(guī)范很重要的。 (4) 焊接裂紋 焊接保護(hù)不好時,使得焊縫中的含氧、氮量較高，焊縫

12、或熱影響區(qū)性能變脆，在較大的焊接應(yīng)力作用下，可出現(xiàn)應(yīng)力裂紋和冷裂紋。這種裂紋都是在較低溫度下形成的。但焊接鈦合金的實(shí)踐證明，在焊接接頭的熱影響區(qū)有時會出現(xiàn)延遲裂紋，這種裂紋可能在焊接冷卻過程中立即形成，也可以延遲到幾小時，幾天，甚至幾個月后發(fā)生。研究結(jié)果表明，氫是引起這種裂紋的重要原因。 由于鈦和鈦合金中硫、磷、碳等雜質(zhì)很少,低熔點(diǎn)共晶很難在晶界出現(xiàn), 有效結(jié)晶溫度區(qū)間窄；加之鈦和鈦合金的低導(dǎo)熱性，能保證進(jìn)入熔池的熱量不像銅鋁那么快地散失掉，焊縫凝固時收縮小, 因此很少出現(xiàn)焊接熱裂紋。 (5) 形成氣孔 氣孔是鈦合金焊接時最常見的焊接缺陷。其形成主要是由于焊接區(qū), 特別是焊接端面被水分、油脂等

13、沾污所致。因此, 必須格外注意母材及焊絲的預(yù)防氣孔的處理。 1.2 激光焊接數(shù)值模擬的研究概況 1.2 激光焊接數(shù)值模擬的研究概況 激光焊接過程包含著一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象，如光的吸收，材料的熔化與汽化，導(dǎo)熱以及流體流動，光致等離子體現(xiàn)象，熔池表面存在因表面張力引起的熔池流動，還有焊縫金屬的凝固結(jié)晶等等，表現(xiàn)出快速、復(fù)雜、多維、多參數(shù)影響等特點(diǎn)。激光與材料相互作用時，因聚焦激光束功率密度高，被焊材料在極短時間內(nèi)熔化、汽化直至形成小孔，并出現(xiàn)激光誘導(dǎo)的等離子體。光致等離子體對激光束可產(chǎn)生反射、折射、散射，從而改變激光束的聚焦?fàn)顟B(tài)，并通過逆韌致效應(yīng)吸收激光能量：小孔的形成，可使激光入射角度

14、在小孔中發(fā)生改變，造成經(jīng)多次反射引起的菲涅爾吸收， 出現(xiàn)所謂的 “壁聚焦效應(yīng)” ， 從而大大提高材料對激光的吸收率。激光焊接過程還與材料的性質(zhì)有關(guān)。二十世紀(jì)八十年代以來，隨著高速大容量計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，數(shù)值模擬技術(shù)在材料領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用，為激光焊接過程中所發(fā)生的一系列復(fù)雜物理現(xiàn)象的研究提供了有效的手段。國內(nèi)外眾多的科技工作者運(yùn)用模擬技術(shù)對激光焊接過程中的傳熱、傳質(zhì)、激光吸收機(jī)制以及等離子體效應(yīng)進(jìn)行了研究，得出了不少有價值的結(jié)論。目前，激光焊接數(shù)值模擬技術(shù)已深入眾多領(lǐng)域，主要內(nèi)容包括：焊接過程熱傳導(dǎo)分析；熔池流體動力學(xué)分析；激光焊接接頭組織性 3 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文

15、 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 能預(yù)測；焊接應(yīng)力與變形等。下面主要從與本文研究內(nèi)容密切相關(guān)的傳熱及焊接應(yīng)力領(lǐng)域來分析激光焊接數(shù)值模擬的研究進(jìn)展。 1.2.1 激光焊接溫度場的研究現(xiàn)狀 1.2.1 激光焊接溫度場的研究現(xiàn)狀 熔焊時焊接接頭的形成，一般都要經(jīng)歷加熱、熔化、冶金反應(yīng)、凝固結(jié)晶、固態(tài)相變，直至形成焊接接頭。這個形成過程我們稱焊接熱過程，它對焊接冶金過程、固態(tài)相變、組織性能和應(yīng)力變形等均有重要的影響。因此，世界各國對焊接熱過程的研究十分重視，已經(jīng)成為焊接領(lǐng)域的一個獨(dú)立的分學(xué)科，即“焊接傳熱學(xué)” 。焊接時焊件上某瞬時的溫度分布稱為“溫度場”12。 溫度場的求解方法包括解析

16、法和數(shù)值方法。解析法以數(shù)學(xué)分析為基礎(chǔ)，得到用函數(shù)形式表示的解，在求解的過程中，物理概念及邏輯推理清楚，所得到的解能比較清楚地表示出各種因素對熱傳導(dǎo)過程和溫度的影響，但對于情況稍復(fù)雜，如邊界有輻射換熱等情況時，解析法就很難或不可能求解了，除非對原有問題進(jìn)行大量簡化，做出很多假設(shè)，如激光能量服從均勻分布，材料的物性參數(shù)為常數(shù)，不考慮相變潛熱和輻射傳熱等因素，這在一定程度上影響了求解的準(zhǔn)確性。 數(shù)值方法以離散數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，其理論基礎(chǔ)雖不如解析法那樣嚴(yán)密，但對數(shù)值模型能夠方便地處理焊接過程中普遍存在的非線性問題，數(shù)值方法擺脫了解析方法的許多束縛，例如熱源不必簡化為點(diǎn)、線或面熱源；可以將工

17、件形狀考慮進(jìn)模型當(dāng)中等，因此其實(shí)用性比解析法要強(qiáng)很多。常用的數(shù)值方法有有限差分法、有限元法和蒙特卡洛法。 激光焊接數(shù)值模擬的模型主要分為傳導(dǎo)焊模型和深熔焊模型兩大類。傳導(dǎo)焊模型與普通焊接方法很相似，溫度場可采用相似的方法求解，這里不做詳細(xì)介紹。而深熔焊與其他焊接方法相比(電子束除外)，由于通過小孔傳遞能量而有很大的不同。下面的模型主要針對深熔焊模型進(jìn)行介紹。 溫度場的模擬的最重要的工作是建立一個合理的數(shù)學(xué)模型，這個模型應(yīng)該包括分析上述多因素對傳熱的影響，使得模擬的結(jié)果貼近實(shí)測結(jié)果，這樣才能體現(xiàn)焊接數(shù)值模擬的價值。為此國內(nèi)外的專家學(xué)者做了大量的辛勤工作，提出了一系列的數(shù)學(xué)模型。而這些數(shù)學(xué)模型主要

18、體現(xiàn)在熱源模型的建立和改進(jìn)上，逐步考慮了熱源效率、焊接過程產(chǎn)生的等離子云對焊縫的作用、小孔和熔池的形狀、熔池的液體流動傳熱和材料熱物理性能等問題，逐步的建立起比較合乎實(shí)際的數(shù)學(xué)模型。 1973 年，Swift和Goldak最早的采用解析法對激光焊接的溫度場進(jìn)行模擬。他們采用柱狀移動線熱源，假設(shè)材料的熱物理性能參數(shù)為常數(shù)，分別用不同的貝塞爾函數(shù)修正了高速焊和低速焊接時溫度場的差異。由于沒有考慮板厚方向的溫度差異， 4 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 實(shí)際模型為二維。該方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單，能迅速獲得激光焊接溫度場，缺點(diǎn)是模型過于粗糙

19、，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果誤差很大13。 70 年代還有Klemans、Cline、Arata14等人分別提出了柱狀小孔、移動線熱源以及帶狀熱源的模型，這些模型都是適用于二維或半無限大板，計(jì)算小孔和熔池的形狀。他們忽略熔池對流和熱輻射等因素，建立了一個準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的二維數(shù)學(xué)模型。 進(jìn)入80年代后，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，數(shù)值模擬的應(yīng)用也更加廣泛。研究者們開始提出了移動熱源、高斯分布熱源或者工件移動熱源不動等二維數(shù)學(xué)模型，開始考慮到保護(hù)氣體的影響、菲涅耳吸收效應(yīng)、材料熱物理性能參數(shù)隨溫度變化和金屬流動傳熱等因素。這些模型計(jì)算小孔和熔池的形狀有了很大進(jìn)步。同時組合熱源的概念開始出現(xiàn)。 1984 年Mazu

20、mder和Steen最先對服從高斯分布的激光移動熱源溫度場進(jìn)行了研究，他們提出的激光焊接熱源模型能夠預(yù)測小孔的形狀和大小，至今仍然具有參考價值。他們采用有限差分技術(shù)，假定激光束為移動的高斯熱源，沿小孔深度方向，小孔吸收的能量按Bear-Lambert法則吸收；工件為無限長、有限寬和有限深；考慮反射率，并且在溫度超過汽化點(diǎn)時反射率為零；由逆韌致吸收系數(shù)來描述穿過小孔的激光能量被等離子體的吸收和反射。不考慮材料熱物理性能的變化和潛熱效應(yīng)或材料內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，也不考慮小孔內(nèi)等離子體的熱平衡15。 Goldak16提出了雙橢球熱源模型很具有代表性，不僅可以處理一般的電弧沖力小的焊接熱源,也可以處理具有強(qiáng)

21、烈穿透作用的激光焊和電子束焊過程的焊接熱源,。如今，雙橢球焊接熱源模型被焊接界廣泛采用，通過調(diào)整熱源的參數(shù)，可以對小孔和熔池的形狀進(jìn)行很好的描述，進(jìn)一步提高焊接熱循環(huán)的計(jì)算精度，尤其適合于三維模型。 1987 年Dowden17建立模型討論了小孔內(nèi)能量傳輸機(jī)制，認(rèn)為光致等離子體吸收了相當(dāng)部分的激光能量，其中一部分能量又通過小孔壁傳遞給工件材料；通過建立熔池流動二維模型，討論了材料吸收激光能量和焊接速度與熔池熔寬的關(guān)系，計(jì)算得到全焊透小孔的尺寸和輪廓。 1988 年Steen17率先使用點(diǎn)線組合熱源模擬了深熔焊接時的接頭形貌， 解釋了深熔焊縫截面呈 “釘頭” 狀的原因。 隨后Akhter等人在這

22、基礎(chǔ)上提出了移動點(diǎn)-線熱源。國內(nèi)劉建華、李志遠(yuǎn)教授19等也提出了類似的點(diǎn)線熱源組合模型，一方面考慮了激光束通過非涅爾吸收沿柱狀小孔壁傳遞熱量，另一方面也考慮了高溫等離子云作為附加熱源對熔化熔池的貢獻(xiàn)。這種組合熱源解釋了未穿透焊縫“釘頭”狀熔池形貌形成的原因，但對于穿透焊熔池的截面形貌得不到滿意的結(jié)果。 1995 年，Y.Matsuhiro等人在對激光焊接進(jìn)行模擬的過程中研究了小孔的形成，從數(shù)值模擬的結(jié)果來看，蒸發(fā)過程顯著影響激光焊接熔池的幾何形狀。他們假設(shè)激 5 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 光熱源是均勻的圓形分布作用于金屬表面

23、，熔池溫度低于沸點(diǎn)，從激光光斑半徑內(nèi)的能量平衡來估計(jì)蒸發(fā)量；影響熔池流動的力有重力、表面張力的反作用力20。 1997 年，P.Solana為了確定完全的三維焊接熔池和小孔幾何形狀，通過設(shè)定適當(dāng)?shù)哪芰亢蛪毫ζ胶?，建立了一個詳細(xì)的模型。能量平衡不僅考慮了熱傳導(dǎo)、燒蝕損失和小孔開口表面處的蒸發(fā)作用，還考慮了相應(yīng)的能量吸收機(jī)制，即菲涅耳吸收和逆韌致吸收。小孔邊界最初視作一個未知的自由邊界，并作為問題解的一部分而獲得。在低速和中速焊接時，某一深度下的小孔形狀以卵形來描述21。 Rabier等人22對激光焊接的三維數(shù)值模擬進(jìn)行了研究。他們考慮了整個工件的傳熱和熔池內(nèi)的流體流動。采取了兩種模擬策略，第一個

24、是使用預(yù)定的圓柱體形狀模擬小孔，并考慮了馬蘭格尼效應(yīng)(Marangoni Effect)引起的熔化流動。第二個是認(rèn)為小孔滿足局部的機(jī)械和能量平衡，并以此為根據(jù)進(jìn)行計(jì)算，提出了一個傳熱和流體流動的三維模型；在此模型中，以ALE的方式模擬了帶有小孔的流動，小孔形狀由局部的機(jī)械平衡得到。 Sudnik等23的研究認(rèn)為，模擬深熔激光焊接焊縫形狀時，應(yīng)考慮熔池徑向的液體回流引起的熱傳輸過程。 他們發(fā)現(xiàn)， 焊縫寬度的 5090(隨焊速的增加而增加)是由熱傳導(dǎo)和平移性的熱傳輸(熔化區(qū)平移的貢獻(xiàn)約為 2030)引起的。其余的1050的縫寬(隨焊速的增加而減少)是由對流熱傳遞而引起的。 國內(nèi)的薛忠明24的激光焊

25、接溫度場研究中，分別求出移動線熱源的解析解和高斯分布熱源的數(shù)值解，對比實(shí)測的熱循環(huán)曲線，得出的結(jié)論是高斯熱源在激光焊接溫度場模擬中更貼近實(shí)測值。 2000 年，徐九華等人25引以伴隨有小孔效應(yīng)產(chǎn)生的高能量密度束焊接過程為研究對象，建立了運(yùn)動熱源作用下二維小孔焊接中流體流動及傳熱過程的數(shù)學(xué)模型。鄭啟光等26 分析了激光深熔焊接的熔池行為，并著重研究了激光焊接工藝參數(shù)(激光模式、功率、聚焦條件、焊接速度和輔助吹氣)對焊接熔池行為的影響。 鄒德寧等27 對移動熱源條件下熔池內(nèi)流體流動、相變和傳熱問題進(jìn)行了數(shù)值研究，并基于研究結(jié)果對同一掃描速度、不同激光輸入功率條件下溫度場進(jìn)行了比較分析。 熊建鋼28

26、也通過解析法對未穿透激光焊接模型進(jìn)行了研究，通過求解“液-汽” 、“固-液”界面的相變界面來獲得小孔及熔池形貌，對菲涅爾吸收機(jī)制進(jìn)行了深入的研究。該模型能用于計(jì)算激光焊接工藝參數(shù)對小孔及熔池形狀的影響。 杜漢斌29首次建立了復(fù)合熱源作用下的激光穿透焊接熔池流動三維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，熱源由作用在激光表面的高斯熱源以及沿激光入射方向的柱狀熱源組成，分別考慮了等離子體和小孔吸收機(jī)制。計(jì)算過程中，將帶松弛因子的動量插值算法引入SIMPLE算法，采用非交錯網(wǎng)格對模型離散求解。該模型的計(jì)算結(jié)果預(yù)測了常見的 6 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 焊

27、接中的“沙漏”狀熔池形貌。 1.2.2 焊接應(yīng)力場的研究現(xiàn)狀 1.2.2 焊接應(yīng)力場的研究現(xiàn)狀 對焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬的一個重要的目的就是為了獲得焊后的殘余應(yīng)力分布和變形，從而為設(shè)計(jì)者提供幫助，并在結(jié)構(gòu)使用過程中可以分析其承載情況，預(yù)測其壽命。 20 世紀(jì) 70 年代初，日本大阪大學(xué)的上田幸雄教授等人首先以有限元法為基礎(chǔ)， 提出了考慮材料力學(xué)性能與溫度有關(guān)的焊接熱彈塑性分析理論， 導(dǎo)出了分析焊接應(yīng)力應(yīng)變過程的表達(dá)式，從而使復(fù)雜的動態(tài)焊接應(yīng)力過程的分析成為可能。在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了深入的研究，創(chuàng)建了“計(jì)算焊接力學(xué)” 。 近年來，在對殘余應(yīng)力和變形測量的基礎(chǔ)上，人們利用計(jì)算機(jī)對焊接過程應(yīng)力、應(yīng)變模擬

28、及控制方面做了大量的工作。但由于激光焊接特點(diǎn)，造成了其在應(yīng)力、應(yīng)變場數(shù)值模擬上的困難。以前國內(nèi)外對焊接應(yīng)力、應(yīng)變場的數(shù)值模擬的研究主要集中在電弧焊方面，現(xiàn)在人們對于激光焊和電子束焊等高能束流焊接的應(yīng)力、應(yīng)變場的研究熱了起來。 FRick， GReinhart30等人對激光焊接的數(shù)值模擬進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。他們有必要把過程作為兩個階段來分析：第一步，在傳熱分析內(nèi)，焊接過程以詳細(xì)的模型來模擬，所獲得的時間溫度關(guān)系提供了焊縫的顯微性能信息，如橫截面的幾何形狀或硬度，在這些結(jié)果的基礎(chǔ)上，整個工件的熱影響，如殘余應(yīng)力和變形，由接下來的第二步確定。第二步，采用順序熱應(yīng)力耦合分析，即假設(shè)應(yīng)力只依賴于溫度分布及

29、其變化，但溫度分布并不被應(yīng)力的變化所影響 。 FRick，GReinhart30等人還對低碳鋼板的T-型接頭焊接進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。焊接時上板(腹板)在其中心進(jìn)行固定，而下板只是在T-型接頭的左邊進(jìn)行固定。計(jì)算結(jié)果表明，變形主要在兩個方面:一個是角變形，一個是沿著軸線方向的彎曲變形。在這種情況下，殘余應(yīng)力主要由經(jīng)過塑性變形的焊縫的縱向收縮所引起。結(jié)果正應(yīng)力的第一個分量(焊接方向)在靠近焊縫的區(qū)域有超過 300MPa的高拉伸應(yīng)力。垂直于焊縫的第二個應(yīng)力分量也被縱向收縮所影響，導(dǎo)致板邊緣的壓力和板中心的拉伸。 GReinhart31認(rèn)為，夾具的設(shè)計(jì)技術(shù)是激光焊接中很重要的一點(diǎn)，因此在計(jì)算焊接應(yīng)力

30、和應(yīng)變的熱一機(jī)械耦合模型中，必須考慮夾具的作用的影響。 Fanous32 模擬了不同邊界條件下焊接殘余應(yīng)力的表現(xiàn)： 第一種情況下他使用了固定單元，第二種情況下他使用了隨熱源移動的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)。他的研究結(jié)論是：第二種技術(shù)可以明顯的縮短計(jì)算時間，但兩者計(jì)算結(jié)果相差不大，焊接過程產(chǎn)生的 7 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 應(yīng)力并沒有因邊界條件的改變而產(chǎn)生很大的變化；兩自由板對焊生成的殘余應(yīng)力遠(yuǎn)小于焊接連著某固定在大結(jié)構(gòu)件上的一個小板，并且，殘余應(yīng)力對溫度加載的變化并不敏感。 JR CHO等人33對TC4 鈦合金焊接的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行

31、了數(shù)值模擬，并對照實(shí)驗(yàn)，模擬結(jié)果比較吻合，他們發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力的最大值是縱向應(yīng)力，大小與屈服極限相當(dāng)，而橫向應(yīng)力相當(dāng)小，但橫向應(yīng)力和工件的厚度有著顯著的關(guān)系；塑性變形區(qū)域大約是熔池體積的 3 倍。 X.K.Zhu, Y.J.Chao50等人模擬了材料性能依賴溫度變化的鋁合金的溫度場和應(yīng)力場，采取不同的材料性能參數(shù)組來計(jì)算，對比實(shí)驗(yàn)測得的真實(shí)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論是，即使采取常溫時的材料性能參數(shù)代替高溫段的參數(shù)來計(jì)算，溫度場模擬結(jié)果和實(shí)測值相差都很小，而應(yīng)力場只對材料屈服極限和彈性模量比較敏感，且隨溫度變化的屈服極限是影響應(yīng)力場的主要因素。 相比國外而言，國內(nèi)的焊接應(yīng)力模擬成為一個研究熱點(diǎn)，一般采用體熱源或

32、者組合熱源，在大型通用的模擬平臺如 ANSYS、MARC 和 SYSWELD 上實(shí)現(xiàn)模擬。 比較突出的如清華的王煜、趙海燕34等人提出的分段移動雙橢球熱源模型。由于焊接應(yīng)力對溫度變化不是很敏感，采用該熱源模型可以在保持良好計(jì)算精度的基礎(chǔ)上極大提高計(jì)算效率。同時，吳甦35為準(zhǔn)確地模擬出大深寬比的”釘頭”狀高能束熔池(焊縫)形狀，提出了新的旋轉(zhuǎn)Gauss曲面體熱源模型，并進(jìn)行了實(shí)際的數(shù)值模擬與測量實(shí)驗(yàn)。上述模型實(shí)際是基于雙橢球或者高斯熱源模型，通過改變其中熱源尺寸參數(shù)變化而來，有一定的局限性，例如只能適用于模擬尺寸較大的小孔，否則，會在小孔中心生成的虛擬高溫比普通焊接材料的最高熔點(diǎn)還高出幾個數(shù)量級

33、。 由于焊接應(yīng)力模擬的計(jì)算量非常大，計(jì)算時間很長，國內(nèi)清華的鹿安理36等人在模擬中適當(dāng)?shù)奶幚砀邷責(zé)嵛锢韰?shù)以提高計(jì)算效率，并開展了并行計(jì)算的應(yīng)用和研究，這對于應(yīng)力模擬中節(jié)省時間是非常有意義的。 綜上所述，在焊接的應(yīng)力、應(yīng)變場的數(shù)值模擬中，一般都是考慮溫度場對應(yīng)力、應(yīng)變場的作用而忽略應(yīng)力、應(yīng)變場對溫度場的影響。此外還有考慮不同溫度下微觀組織的變化對應(yīng)力、應(yīng)變場的影響。 在對有限元模型的網(wǎng)格的劃分中，一般在焊縫及其附近的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，采用三維實(shí)體單元，而在遠(yuǎn)離焊接區(qū)的地方一般采用疏網(wǎng)格和二維殼體單元。應(yīng)用適應(yīng)性網(wǎng)格劃分技術(shù)可以減少大量的網(wǎng)格單元，并行計(jì)算技術(shù)可以節(jié)省大量的計(jì)算時間。 在對熱源的

34、形式的處理上，有的把熱生成和熱損失處理為內(nèi)部熱源，從而在激光和電子束焊接中無需考慮等離子和熔池流動的影響；有的考慮等離子體和小孔的作用，把激光處理成體熱源或組合熱源等形式。 8 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 此外，在模擬中還有的采用自適應(yīng)時間步技術(shù)，有的考慮夾具和重力的影響、應(yīng)變松弛的影響、熱影響區(qū)的軟化等因素。由于激光焊接過程受到很多因素的影響，關(guān)注對結(jié)果有決定性影響的因素而忽略其他次要因素，成為研究者們建立各種模型共同的追求。 1.3 當(dāng)前存在的一些問題 1.3 當(dāng)前存在的一些問題 1) 如何確定合適的熱源模型 溫度場模擬是

35、數(shù)值模擬第一步工作，后續(xù)的應(yīng)力場模擬是基于溫度場結(jié)果的。由于激光焊接以及鈦合金的材料物理性能的特點(diǎn)，激光焊鈦合金得到的焊縫深寬比大、熔池體積和熱影響區(qū)的尺寸很小，這對模擬熔池的形貌提出很高的要求。從追求比較理想的模擬結(jié)果的角度出發(fā)，首先必須選擇合適的熱源模型。例如選擇或建立合適的體熱源非常重要，使得熱量能夠集中分布在焊縫高度方向而不是在工件上表面。另外，體熱源的各特征參數(shù)以及激光的有效功率等參數(shù)之間相互影響，難以同時確定，須經(jīng)過多次試算來確定合適的參數(shù)。 2) 如何處理計(jì)算時材料高溫?zé)嵛锢硇詤?shù)的不足的難題 材料的熱物理性能參數(shù)如比熱、熱傳導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度和楊氏模量等在高溫區(qū)間的值非

36、常匱乏，即使進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量這些參數(shù)，結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性也比較差。但材料的高溫性能參數(shù)對焊接過程數(shù)值模擬的結(jié)果和計(jì)算過程有很大影響，在模擬中如果假設(shè)的高溫參數(shù)不合適，會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不精確或者計(jì)算中收斂有問題。例如，材料在足夠高的溫度下，屈服極限和彈性模量等重要參數(shù)的數(shù)值將失去其實(shí)際物理意義。但由于焊接過程的數(shù)值模擬基本上是以彈塑性理論為基礎(chǔ)的，因此這些參數(shù)必須是非零值。而這些參數(shù)取值過小會導(dǎo)致收斂的困難，并且即使收斂也會使計(jì)算時間大幅度增加，參數(shù)取值偏大又會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。 3) 數(shù)值模擬計(jì)算效率與精度平衡的問題 一般來說，選擇合適的單元，網(wǎng)格的細(xì)化有利于結(jié)果的精確，但是付出的代價是存儲文件和

37、計(jì)算時間成級數(shù)倍增長。目前人們對這個問題進(jìn)行很多研究和努力，針對不同的實(shí)際情況，研究者們試圖開發(fā)出更好的單元，畫出最優(yōu)化的網(wǎng)格，適當(dāng)縮小模型尺寸，或者采取最佳的計(jì)算策略等等。例如移動自適應(yīng)網(wǎng)格概念的提出已經(jīng)很久了，能大量節(jié)省時間和磁盤空間，但是在計(jì)算精度上還存在問題，需要有限元分析平臺的改進(jìn)。 4) 激光焊接工藝參數(shù)影響焊接應(yīng)力的規(guī)律的研究不夠深入 激光焊接應(yīng)力變形不僅與激光功率、焊接速度等工藝參數(shù)有關(guān)，而且與材料的性能參數(shù)、工件焊接時候的工況有關(guān)，同時激光焊接殘余應(yīng)力峰值和分布區(qū)間、焊接 9 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 變形

38、大小與焊縫形狀有聯(lián)系，這些都有待于進(jìn)一步研究。 1.4 論文的主要工作 1.4 論文的主要工作 實(shí)驗(yàn)方面，對鈦合金進(jìn)行搭接接頭的激光焊接實(shí)驗(yàn)，分析焊接接頭的組織性能，研究焊接工藝參數(shù)對焊縫形貌的影響，測量焊縫的殘余應(yīng)力；數(shù)值模擬方面，在有限元軟件 ANSYS 中建立激光焊接鈦合金的溫度場、應(yīng)力計(jì)算模型，并進(jìn)行三維實(shí)時動態(tài)模擬，分析各參數(shù)對模擬結(jié)果的影響。 1) 典型鈦合金材料的激光焊接工藝研究，并進(jìn)行殘余應(yīng)力的測量 2) 激光焊接溫度場分析 3) 激光焊接殘余應(yīng)力分析 10 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 2 TC4 鈦合金搭接接

39、頭激光焊接實(shí)驗(yàn) 2 TC4 鈦合金搭接接頭激光焊接實(shí)驗(yàn) 2.1 引言 2.1 引言 鈦及多種類型鈦合金由于具有許多獨(dú)特的性能優(yōu)勢，包括高比強(qiáng)度和比剛度、良好的高溫性和耐腐蝕性能，優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和加工性能，目前己得到世界各國的普遍重視，并獲得廣泛應(yīng)用。 工業(yè)鈦合金按其退火組織可分為、和三大類，鈦合金是同時加入穩(wěn)定元素和穩(wěn)定元素，使相和相都得到強(qiáng)化，其性能特點(diǎn)是常溫強(qiáng)度、耐熱強(qiáng)度及加工塑性都比較好，可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。但這類合金組織不夠穩(wěn)定，焊接性能不及鈦合金。TC4 是一種非常典型的型兩相鈦合金，它含有 6的穩(wěn)定元素鋁和 4穩(wěn)定元素釩。該合金具有優(yōu)異的綜合性能，在航空和航天工業(yè)中獲得最廣泛的應(yīng)

40、用。它的長時間工作溫度可達(dá) 400，用于制造發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)盤與葉片，以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的梁、接頭和隔框等重要承力構(gòu)件36。 鈦合金的成分和微觀結(jié)構(gòu)是決定其焊接性的重要方面，特別是在相存在的時候，往往會造成焊接性能的惡化。為了得到高質(zhì)量的焊縫，鈦合金的焊接過程中氧的控制至關(guān)重要。不正確的保護(hù)、表面處理不好、焊接材料表面氧化膜的出現(xiàn)都會導(dǎo)致焊縫質(zhì)量惡化，產(chǎn)生氣孔和形成不希望得到的焊縫形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)。鈦合金焊接的常見缺陷主要有三種：焊接接頭脆化；焊接接頭裂紋；焊接接頭中的氣孔。 鈦合金在高溫下，特別是在熔融狀態(tài)下對氣體(氧和氮)有很大的活性，極易氧化和氮化。所以必須排除活性氣體(包括空氣中的氧氣,

41、氮?dú)庖约八值?的污染，并保持工件的清潔。獲得優(yōu)良接頭的必備條件是，不僅要可靠地保護(hù)焊接熔池免受氧化，而且對溫度在 400以上的區(qū)域都應(yīng)該實(shí)施保護(hù)，否則將出現(xiàn)氣孔、接頭脆化等現(xiàn)象。 2.2 實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)方法 2.2 實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)方法 2.2.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備 2.2.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備 實(shí)驗(yàn)材料為 TC4 鈦合金軋制板，厚度為 1.6mm?；瘜W(xué)成分如表 2.1 所示。 焊接結(jié)構(gòu)為搭接接頭， 上下兩板厚度相同， 尺寸一樣為： 1001001.6 （單位： mm） ，示意圖如圖 2-1 所示,Y 向?yàn)楹附臃较颍琙 為高度方向，下同。 11 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華

42、中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 表 2.1 TC4 的化學(xué)成分 主要化學(xué)成分% 雜質(zhì)(%)不大于 材料 Ti Al V Fe H Si C N O Ti-6Al-4V 88.7-91 5.5-6.8 3.5-4.50.300.0150.150.10 0.05 0.15 圖 2-1 TC4 激光焊搭接接頭示意圖 實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用華中科技大學(xué)激光重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的為五軸聯(lián)動CO2板條激光器，連續(xù)輸出光束，光斑直徑為 1mm；顯微硬度采用HX-500 型顯微硬度計(jì)測量；殘余應(yīng)力采用應(yīng)力釋放法，使用YJ-5 型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。 2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法 2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法 1) 焊接過程： 焊件預(yù)處理

43、：金屬清洗液除油、水沖洗、酸洗、水沖洗、烘干保存。氧化層較厚時，可用粗砂紙打磨。試件酸洗后，表面呈銀灰色。此外，還應(yīng)用清潔的不銹鋼鋼刷清理焊口及附近區(qū)域。 氣體保護(hù)：采用高純氬氣保護(hù)，設(shè)計(jì)專用夾具以保證焊接時焊縫背面良好的保護(hù)，焊前 10min 左右預(yù)先通入氬氣，以排除拖罩內(nèi)空氣。焊縫正面采用氣體保護(hù)拖罩，拖罩示意圖如圖 2-2 所示，拖罩長度應(yīng)保證溫度高于 200的焊縫區(qū)間處于拖罩中氬氣的保護(hù)之內(nèi)，氬氣由進(jìn)氣管導(dǎo)入，經(jīng)氣體均布管上端的排氣孔導(dǎo)出，并將拖罩中的空氣擠出，再經(jīng)過氣體透鏡使氬氣均勻地覆蓋在接頭區(qū)域。 2) 焊后試件處理、分析 a 觀察焊后試件的正面及背面的氧化程度； b 對焊縫進(jìn)行

44、處理，經(jīng)過切割、打磨、拋光、腐蝕和清洗，制成金相試樣，觀測焊縫； c 焊縫尺寸測量：測量位置 H、B、b 值見圖 2-3，b 值反映接頭的承載能力 d 完全破壞法測量縱向殘余應(yīng)力。使用 YJ-5 型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，電阻應(yīng)變片的粘貼位置在離焊縫 30mm 內(nèi)間隔 10mm，其余間隔 15mm。 12 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 圖 2-2 氣體保護(hù)拖罩示意圖 圖 2-3 焊縫橫截面尺寸 H熔深 B熔寬 b1/2 板厚處的熔寬（結(jié)合面寬度值） 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 2.3.1 不同工藝參數(shù)對焊縫熔寬熔深的

45、影響 2.3.1 不同工藝參數(shù)對焊縫熔寬熔深的影響 焊后觀察焊縫金屬的氧化程度， 以及從焊縫的金相試樣觀測到焊縫形貌和氣孔的分布，來評定焊縫成型的好壞。按鈦合金焊接的氧化程度，從無氧化到嚴(yán)重氧化，焊縫金屬表面氧化膜顏色依次為銀白、淺黃、深黃、金黃、深藍(lán)、灰藍(lán)、灰紅、灰白。焊縫中氣孔的形成主要是由于氣體保護(hù)不力以及焊前清理不夠干凈引起的，如果氣孔比較多的話，需要對保護(hù)裝置進(jìn)行改進(jìn)，對保護(hù)氣體以及試件的清洗做更嚴(yán)格的要求。 改變激光輸入功率和焊接速度，以獲得不同的激光線能量下，得到不同形貌的 13 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 焊縫

46、狀態(tài)，如表 2： 表 2 激光焊實(shí)驗(yàn)的不同工藝參數(shù) 試樣編號 焊接功率P(KW) 焊接速度 V(m/min)線能量(J/mm) 焊縫成型狀態(tài) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 2.3 2.3 2.3 2.0 2.0 2.0 1.5 1.5 1.5 1.0 1.0 2.5 2.0 1.8 2.5 2.0 1.8 2.5 2.0 1.8 1.5 1.0 55.2 69.1 76.7 48.0 60.0 66.7 36.0 45.0 50.0 40.0 60.0 良好 有缺陷 有缺陷 良好 良好 有部分缺陷 良好 良好 良好 未焊透 良好 典型的不同參數(shù)下的焊縫截面形狀宏觀照片圖（圖

47、2-4） ： 圖 2-4 特定參數(shù)下焊縫截面宏觀形貌 1) 激光功率與焊縫尺寸的關(guān)系 從實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)可以看出，焊縫的熔深與激光輸出功率密度密切相關(guān)，是功率和光斑直徑的函數(shù)。對一定的光斑直徑，其他條件不變時，焊接熔深隨著激光功率的增加而增加。熔寬也幾乎是與激光功率成正比變化（圖 2-5） 。 14 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 圖 2-5 焊接功率 P 與 H、B、b 的關(guān)系 需要強(qiáng)調(diào)的是，由于激光焊接的鈦板厚度有限，導(dǎo)致 H 曲線的尾端斜率降低，曲線趨于平緩。如果鈦板的厚度增加，則 H 曲線仍然會呈上升的趨勢。 2) 焊接速度

48、與焊縫尺寸的關(guān)系 焊接速度影響熔寬和熔深。在一定的激光功率下，提高焊接速度，線能量下降，熔深減小，所以熔深幾乎與焊速成反比；適當(dāng)降低焊速可加大熔深，但速度過低，卻不會使得熔深增加，反而使得熔寬增大（圖 2-6） 。 圖 2-6 焊接速度 V 與 H、B、b 的關(guān)系 15 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 這種現(xiàn)象的主要原因是激光深熔焊時，維持小孔存在的主要動力是金屬蒸氣的反沖壓力，在焊接速度低到一定的程度后，線能量增加，熔化金屬越來越多，當(dāng)金屬汽化所產(chǎn)生的反沖壓力不足以維持小孔的存在時，小孔不僅不再加深，甚至?xí)罎?，焊接過程就會變?yōu)?/p>

49、熔化焊，則熔深不會再增加。另一個原因是隨著金屬汽化的增加，小孔區(qū)域的溫度上升，等離子體的濃度增加，對激光的吸收增加。這些原因使得焊接速度較低時，激光焊熔深有一個最大值。即對于給定的激光功率等條件，存在一個維持深熔焊接的最小焊接速度。 3) 線能量與焊縫尺寸的關(guān)系 焊接熔深 H 與激光焊接線能量 Q 成直接的線性關(guān)系（圖 2-7） ，即 Q 增加，則 H也增加。但 Q 達(dá)到一定程度大小時，H 就不會隨著 Q 的變化而變化了，這是由于受到了板厚的影響。從 H、B、b 與線能量 Q 的測量數(shù)據(jù)可以得知，Q 除了對焊接熔深 H 的影響較為顯著外，對 B 和 b 的變化幾乎沒有什么影響。 圖 2-7 線

50、能量與熔深的關(guān)系 2.3.22.3.2 顯微組織和顯微硬度分析 顯微組織和顯微硬度分析 TC4 鈦合金的原始組織是+相，經(jīng)激光焊接后，由于受熱的影響程度不同,焊接接頭在近縫區(qū)靠近熔合線附近將發(fā)生晶粒粗化,焊縫組織形態(tài)為大量柱狀晶和等軸晶以及少量的板條馬氏體（）出現(xiàn)。焊縫中存在籃織網(wǎng)狀組織,是在冷卻過程中由于相接近與馬氏體的成分,部分相成分固溶于相且在相邊緣彌散析出所致（圖 2-8）。在冷卻過程中，首先形成的是一次晶粒，并在較長距離擴(kuò)展，分割未轉(zhuǎn)變的相。在結(jié)晶溫度以上冷卻時，被分割的相轉(zhuǎn)變成一系列針狀二次組織。焊縫晶粒度與基體差異較大,焊縫區(qū)的晶粒尺寸在 100160m ,而基體母材 16 華

51、中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 的晶粒尺寸約為 50m 左右。焊縫晶粒粗大嚴(yán)重增加了組織脆性。焊縫晶粒大小與實(shí)際焊接溫度及在轉(zhuǎn)化溫度以上的停滯時間有關(guān)。故焊縫熔池中部的針狀組織要比接近焊縫熔池表面的針狀組織多和密集38。 a) b) 圖 2-8 焊縫顯微組織 a) P=2.3KW，V=2.5m/min b) P=2.3KW，V=2.0m/min 熱影響區(qū)組織是+的混合物。但熱影響區(qū)的針狀組織沒有焊縫區(qū)域那么多（圖 2-9） ，是因?yàn)?HAZ 的冷卻速度要比焊縫區(qū)域慢，故由相組織轉(zhuǎn)變而形成的針狀相組織不多。 鈦合金焊接時，最常見的缺陷是

52、氣孔。分布在焊縫區(qū)及熔合線附近的氣孔大大降低了焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。焊縫區(qū)的氣孔可能是由激光焊接的原理而導(dǎo)致的。焊接熔池中產(chǎn)生許多金屬蒸氣的氣團(tuán)，快速冷卻時，蒸氣團(tuán)來不及逸出熔池表面，焊接熔池就凝固了。因此，金屬蒸氣凝固的同時，就會在焊縫內(nèi)部形成孔洞（圖 2-9） 。鈦及鈦合金焊縫氣孔往往有分布在熔合線附近的特點(diǎn)，有研究者認(rèn)為這種氣孔特點(diǎn)的形成與氫在鈦中的溶解度有關(guān)。氫在鈦中的溶解度隨溫度的升高而降低，在凝固溫度處有躍變，熔池中部比熔池邊緣的溫度高，故氫從熔池中部易向熔池邊緣擴(kuò)散，因?yàn)楹笳弑惹罢邔溆懈叩娜芙舛?，故熔池邊緣因氫過飽和而形成氣孔39。 分別選取 1， 4， 6， 10 四個試樣做

53、顯微硬度測試， 結(jié)果如圖 2-11 所示， 由圖 2-11可以看出，硬度的整體變化趨勢是，焊縫中心的顯微硬度值較高，高于熱影響區(qū)部分的硬度值，熱影響區(qū)部分的硬度值有時也呈跳躍狀態(tài)。母材的硬度值最低。焊縫及熱影響區(qū)的硬度是由化學(xué)成分和冷卻速度決定的，而激光焊接中的高溫度梯度值造成的快速冷卻條件，使得焊縫中心發(fā)生馬氏體相變，生成針狀的相，大量的晶界增強(qiáng)了焊縫區(qū)的硬度。熱影響區(qū)的針狀相組織相對較少，硬度也低于焊縫 區(qū)。母材為等軸的+相的混合物，硬度最小。所以從焊縫到母材，相的數(shù)量逐漸減少，顯微硬度值也是逐漸降低。及越遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域，顯微硬度越低40-41。 17 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位

54、 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 a) b) c) d)（焊縫底部 HAZ） 圖 2-9 熱影響區(qū)的顯微組織 a) P=2.3KW，V=2.0m/min；b) P=2.3KW，V=1.8m/min c) P=2.0KW，V=2.5m/min；d) P=1.5KW，V=2.5m/min 圖 2-10 氣孔的形貌 18 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 圖 2-11 離焊縫中心距離與顯微硬度的關(guān)系 （圖中數(shù)字為試樣編號） 2.3.3 殘余應(yīng)力結(jié)果與分析 2.3.3 殘余應(yīng)力結(jié)果與分析 激光焊接過程中，焊接區(qū)域以遠(yuǎn)

55、遠(yuǎn)高于周圍區(qū)域的速度被急劇加熱，并局部熔化。焊接區(qū)域的材料受熱而膨脹，熱膨脹受到周圍較冷區(qū)域的約束，并造成彈性范圍內(nèi)的熱應(yīng)力，而隨著溫度的上升，壓縮內(nèi)部變形不斷增加，熱應(yīng)力也不斷增加，同時受熱區(qū)溫度升高后屈服極限下降，熱應(yīng)力可部分地超過該屈服極限；結(jié)果，焊接區(qū)域形成了塑性的熱壓縮；冷卻后，產(chǎn)生壓縮塑性變形的焊縫區(qū)域則比周圍區(qū)域相對縮短、變窄或減小。因此，凝固后，焊縫及熱影響區(qū)就呈現(xiàn)拉應(yīng)力，周圍區(qū)域則呈現(xiàn)壓應(yīng)力。 縱向殘余應(yīng)力測量的是焊接工藝條件 （P=1.5KW， V=2m/min） 下搭接接頭的上板，因?yàn)橄掳逦春竿福习遄冃未?，殘余?yīng)力相對下板會大一些。在本實(shí)驗(yàn)中采取完全破壞釋放應(yīng)力法來測量

56、縱向殘余應(yīng)力。 結(jié)果顯示緊鄰焊縫區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力，離開焊縫區(qū)，拉應(yīng)力迅速下降，以致出現(xiàn)壓應(yīng)力（圖 2-12） 。離焊縫中心約 2.5mm 處測得縱向殘余應(yīng)力達(dá) 135MPa，在大約 8mm處出現(xiàn)壓應(yīng)力?？梢妼?shí)驗(yàn)所得結(jié)果與殘余應(yīng)力的理論分布規(guī)律是相符合的。 由于激光焊接的能量相對集中，焊接熱影響區(qū)較小，熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力也相對較小；但在焊縫及其熔合線上，激光焊的殘余應(yīng)力卻較高。因此激光焊接的殘余 19 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 應(yīng)力分布比較陡。且激光焊接工藝參數(shù)對殘余應(yīng)力的值和分布均有顯著的影響。對于不同線能量的激光焊接，線能量越

57、大，焊縫越寬，熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力也就越大。 圖 2-12 激光焊接搭接接頭縱向殘余應(yīng)力的分布 （P=1.5KW，V=2m/min） 2.4 本章小結(jié) 2.4 本章小結(jié) 1) 對一定的光斑直徑， 其它條件不變時， 焊接熔深隨著激光功率的增加而增加；熔寬也是與激光功率成正比變化。 2) 熔深幾乎與焊速成反比；適當(dāng)降低焊速可加大熔深，但速度過低，卻不會使得熔深增加，反而使得熔寬增大。 3) 焊縫中心發(fā)生馬氏體相變，生成針狀的相；熱影響區(qū)的冷卻速度較焊縫區(qū)低，故形成的針狀相組織相對較少；母材為等軸的+相的混合物。從焊縫到母材，顯微硬度值逐漸降低。激光焊接中的高溫度梯度值造成的快速冷卻條件，使得焊縫中心

58、發(fā)生馬氏體相變，生成針狀的相，使得焊縫區(qū)的硬度較高。 4) 測得的近焊縫中心縱向殘余應(yīng)力可達(dá) 135MPa。 20 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 3 鈦合金搭接接頭激光焊接溫度場數(shù)值模擬 3 鈦合金搭接接頭激光焊接溫度場數(shù)值模擬 3.1 激光深熔焊熱傳導(dǎo)理論概述 3.1 激光深熔焊熱傳導(dǎo)理論概述 激光深熔焊過程與電子束焊極為相似，即能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過“小孔”結(jié)構(gòu)來完成的。在足夠高的功率密度光束照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)形成小孔。這個充滿蒸氣的小孔猶如一個黑體，幾乎全部吸收入射光線的能量。熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔

59、的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸氣，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周即圍著固體材料?？妆谕庖后w流動和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸氣壓力相持并保持著動態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔，小孔外材料在連續(xù)流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定態(tài)。也就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)速度向前移動，熔融金屬填充著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。 圖 3-1 激光深熔焊接示意圖 激光焊接是激光對金屬的輻射作用，因此可將激光輻射作用看作一個加熱的熱源，激光焊接的熱傳導(dǎo)遵循熱力學(xué)中的傳熱的基本規(guī)律，包括熱傳導(dǎo)、對流、輻射三種形式。激光焊接按穿透焊接

60、機(jī)制進(jìn)行，在此處我們一般討論未發(fā)生相變的情形，不考慮物體變形對溫度場的影響。溫度場的計(jì)算按對三維熱傳導(dǎo)方程求解，計(jì)算前假定工件是各向同性材料，還需給定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件、初始溫度分布和金屬材料的 21 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 熱物理特性等參數(shù)。 3.1.1 激光深熔焊熱傳導(dǎo)微分方程 3.1.1 激光深熔焊熱傳導(dǎo)微分方程 激光深熔焊過程中存在復(fù)雜的非固態(tài)物理現(xiàn)象如液態(tài)質(zhì)量的遷移和汽化等，熔池內(nèi)的傳熱機(jī)制十分復(fù)雜，不僅有固體熱傳導(dǎo)而且還有液態(tài)熔體流動和氣體的流動，但是研究熔池具體的微觀的傳熱機(jī)制對實(shí)際工程沒有太大的意義，不能很好的