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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 Abstract Abstract In this dissertation, Experiments and Simulations of the laser welding process for lap-joints using finite element analyses were presented, The material is titanium alloy TC4. In the experiments of the
5、lap-joint laser welding, regularity between laser welding parameters and the geometry size of the weld-pool depth and bead width was investigated. Microstructure and microhardness of the joints were analyzed, and longitudinal residual stress in the joint was measured with the method of stress releas
6、e. The laser welding process were simulated using commercial Finite Element Method (FEM) program ANSYS. The simulations were carried out using a two-step process: first the dynamic temperature distribution throughout the weld seam and the plates was obtained by a non-linear transient heat transfer a
7、nalysis, then followed by a separate quasi-steady state mechanical analysis based on the thermal history, where the mechanical process was considered as thermo-elasto-plastic. Deep laser penetration welding was characterized by the heat transfer of the keyhole. the heat transfers of keyhole was simu
8、lated by a new combined heat source model, which consists of a Goldak double ellipsoid heat source which in the above and a Gauss distribute column heat source in the below. In the finite element model, the moving heat source, the convection and radiation effect, the latent heat of phase transformat
9、ion and the temperature dependence of thermal-physical properties were considered. Under the penetrate welding condition and set the heat source parameters as that the two heat sources effective length is equal、the ration of powers is 3:2 and II华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 radius
10、of keyhole is 0.8mm, the temperature fields in different welding parameters were calculated. Comparing with the surface width of weld-pool and bead width, the discrepancy between of the simulation results and the experimental results is 10%, it validates that this model is adaptive to the simulation
11、 of laser welding of titanium alloy. On the basis of the simulation of temperature field，the 3-D stress distribution on the lap-joint were calculated. The simulation results shows：(a)The residual stress distribution has an obviously boundary effect：a lower stress section exists in front of the end o
12、f weld seam，and where residual stress varies significantly; (b)The residual stress in penetrate welding joint is larger than that in un-penetrate welding joint even through the linear energy of laser is equal;(C)As the laser power is equal and the under penetrate welding condition, residual stress i
13、s growing as the weld velocity increases, which means the residual stress is sensitive to variety of the weld velocity and insensitive to variety of laser power. When the laser power is 1500W and weld velocity is 2.0m/min, comparing with longitudinal residual stress distribution in the middle of joi
14、nt，the simulation results showed a good agreement with the experimental results. Keywords: Keywords: Laser Welding Numerical Simulation TC4 Titanium Alloy Temperature Fields Residual Stress III独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献
15、的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期：
16、年 月 日华 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。
