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1、 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 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，
2、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h1h21.6mm、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
3、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。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
4、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 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论 1 绪 论 自1960年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
5、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、钢铁等工业部门获得了广泛的应用1-3。 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
6、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4。 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余应力，而焊接残余应力可能引起脆
7、性断裂、疲劳断裂和应力腐蚀破坏5-6。 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 华 中 科 技 大 学 硕 士
8、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研究热点7-10。 本文主要对国内应用最广的 TC4 钛合金激光焊接进行研究，通过实验制定合适的焊接工艺规范；研究激光焊接工艺参数对焊缝形貌的影响规律；建立激光焊接的数学模型，应用 ANSYS 进行数值模拟，预测焊缝形成及焊后残余应力的大小和分布。 1.1 钛合金的焊接性分析 1.1 钛合金的焊接性分析 钛有“第三金属”之称, 其最大优点是比强度大，同时还具有良好的耐腐蚀性。在航空工业中主要用于制造压气机叶片、盘以及某些紧固件等，当合金中的氧、氮元素控制到低含量时，还能在低温（196）保持良好的塑性。但是钛
9、合金在高温下对氧、氮、氢具有极大的亲合力，这给焊接带来了一定的难度。以下是钛合金在焊接的主要特点4： (1) 高温时钛对气氛的高活性 钛是一种活泼金属,钛对氧、氮、氢的亲活力大大超过铁对这些元素的亲活力，钛在 300以上极易与氢反应, 600以上极易与氧反应, 700以上极易与氮反应。氮和氧在相当宽的浓度范围内与钛形成间隙固熔体,强烈的降低金属塑性，并增加其硬度；钛吸收氢形成钛化氢，增加金属中的氢含量，从而剧烈降低其韧性，增大形成冷裂纹和时效裂纹的趋势。这些元素的间隙杂质在特殊情况下还能引起焊缝的脆性裂断。而空气中含有大量的氧和氮, 因此在焊接高温下钛很容易被氧化。焊接时焊缝金属和高温近缝区,
10、 不管是正面还是背面, 如果不能受到有效的保护, 就很容易受到空气等杂质的沾污而发生脆化。尤其是焊缝区, 一旦受到杂质沾污, 其脆化程度会更严重37。 (2) 加热时晶粒长大的倾向大 钛合金加热到高于转变的临界温度时，晶粒长大的开始瞬间，是以晶界突跳式位移的方式进行的。随着晶粒尺寸的增加，晶粒长大的速度减慢，但随着温度的提高，晶粒长大的速度又重新加快。一般而言，常规焊接方法加工的钛合金焊接接头晶粒都很粗大。 钛合金焊接时热影响区中晶粒长大，首先取决于最高加热温度，以及在此温度下的停留时间和近缝区的冷却速度，对晶内组织和晶粒尺寸会产生显著的影响，而对晶内组织的影响又远大于对晶粒尺寸的影响。 在靠
11、近熔合线的热影响区内，晶粒长大使焊接接头的强度和塑性降低。钛合金焊缝和近缝区金属的粗大结晶组织，在随后的加工中亦将导致性能降低。 (3) 焊缝接头冷却时形成脆性相 2华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 焊接时发生在热影响区内的组织转变类似于基体金属淬火时组织转变的过程。根据合金化元素含量和热处理范围的不同，钛合金能形成以下的亚稳定相:， “，和。由于这些相能显著地改变近缝区金属的性能11，因此选择能避免在近缝区的最终组织中产生脆性和不稳定相的焊接规范很重要的。 (4) 焊接裂纹 焊接保护不好时,使得焊缝中的含氧、氮量较高，焊缝或热影响
12、区性能变脆，在较大的焊接应力作用下，可出现应力裂纹和冷裂纹。这种裂纹都是在较低温度下形成的。但焊接钛合金的实践证明，在焊接接头的热影响区有时会出现延迟裂纹，这种裂纹可能在焊接冷却过程中立即形成，也可以延迟到几小时，几天，甚至几个月后发生。研究结果表明，氢是引起这种裂纹的重要原因。 由于钛和钛合金中硫、磷、碳等杂质很少,低熔点共晶很难在晶界出现, 有效结晶温度区间窄；加之钛和钛合金的低导热性，能保证进入熔池的热量不像铜铝那么快地散失掉，焊缝凝固时收缩小, 因此很少出现焊接热裂纹。 (5) 形成气孔 气孔是钛合金焊接时最常见的焊接缺陷。其形成主要是由于焊接区, 特别是焊接端面被水分、油脂等沾污所致
13、。因此, 必须格外注意母材及焊丝的预防气孔的处理。 1.2 激光焊接数值模拟的研究概况 1.2 激光焊接数值模拟的研究概况 激光焊接过程包含着一系列复杂的物理、化学反应现象，如光的吸收，材料的熔化与汽化，导热以及流体流动，光致等离子体现象，熔池表面存在因表面张力引起的熔池流动，还有焊缝金属的凝固结晶等等，表现出快速、复杂、多维、多参数影响等特点。激光与材料相互作用时，因聚焦激光束功率密度高，被焊材料在极短时间内熔化、汽化直至形成小孔，并出现激光诱导的等离子体。光致等离子体对激光束可产生反射、折射、散射，从而改变激光束的聚焦状态，并通过逆韧致效应吸收激光能量：小孔的形成，可使激光入射角度在小孔中
14、发生改变，造成经多次反射引起的菲涅尔吸收， 出现所谓的 “壁聚焦效应” ， 从而大大提高材料对激光的吸收率。激光焊接过程还与材料的性质有关。二十世纪八十年代以来，随着高速大容量计算机的出现，数值模拟技术在材料领域也得到了广泛的应用，为激光焊接过程中所发生的一系列复杂物理现象的研究提供了有效的手段。国内外众多的科技工作者运用模拟技术对激光焊接过程中的传热、传质、激光吸收机制以及等离子体效应进行了研究，得出了不少有价值的结论。目前，激光焊接数值模拟技术已深入众多领域，主要内容包括：焊接过程热传导分析；熔池流体动力学分析；激光焊接接头组织性3华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科
15、 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 能预测；焊接应力与变形等。下面主要从与本文研究内容密切相关的传热及焊接应力领域来分析激光焊接数值模拟的研究进展。 1.2.1 激光焊接温度场的研究现状 1.2.1 激光焊接温度场的研究现状 熔焊时焊接接头的形成，一般都要经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变，直至形成焊接接头。这个形成过程我们称焊接热过程，它对焊接冶金过程、固态相变、组织性能和应力变形等均有重要的影响。因此，世界各国对焊接热过程的研究十分重视，已经成为焊接领域的一个独立的分学科，即“焊接传热学” 。焊接时焊件上某瞬时的温度分布称为“温度场”12。 温度场的求解方法包括解析法和数值方法
16、。解析法以数学分析为基础，得到用函数形式表示的解，在求解的过程中，物理概念及逻辑推理清楚，所得到的解能比较清楚地表示出各种因素对热传导过程和温度的影响，但对于情况稍复杂，如边界有辐射换热等情况时，解析法就很难或不可能求解了，除非对原有问题进行大量简化，做出很多假设，如激光能量服从均匀分布，材料的物性参数为常数，不考虑相变潜热和辐射传热等因素，这在一定程度上影响了求解的准确性。 数值方法以离散数学为基础，以计算机为工具，其理论基础虽不如解析法那样严密，但对数值模型能够方便地处理焊接过程中普遍存在的非线性问题，数值方法摆脱了解析方法的许多束缚，例如热源不必简化为点、线或面热源；可以将工件形状考虑进模型当中等，因此其实用性比解析法要强很多。常用的数值方法有有限差分法、有限元法和蒙特卡洛法。 激光焊接数值模拟的模型主要分为传导焊模型和深熔焊模型两大类。传导焊模型与普通焊接方法很相似，温度场可采用相似的方法求解，这里不做详细介绍。而深熔焊与其他焊接方法相比(电子束除外)，由于通过小孔传递能量而有很大的不同。下面的模型主
