钛合金激光搭接焊及数值模拟

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

5、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。 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。

6、除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

7、脆性断裂、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

8、 士 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

9、。但是钛合金在高温下对氧、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

10、近缝区, 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

11、。 在靠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

12、或热影响区性能变脆，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

13、沾污所致。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

14、在小孔中发生改变，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

15、 华 中 科 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

16、法和数值方法。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

17、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。下面的模型主要针对深熔焊模型进行介绍。 温度场的模拟的最重要的工作是建立一个合理的数学模型，这个模型应该包括分析上述多因素对传热的影响，使得模拟的结果贴近实测结果，这样才能体现焊接数值模拟的价值。为此国内外的专家学者做了大量的辛勤工作，提出了一系列的数学模型。而这些数学模型主要

18、体现在热源模型的建立和改进上，逐步考虑了热源效率、焊接过程产生的等离子云对焊缝的作用、小孔和熔池的形状、熔池的液体流动传热和材料热物理性能等问题，逐步的建立起比较合乎实际的数学模型。 1973 年，Swift和Goldak最早的采用解析法对激光焊接的温度场进行模拟。他们采用柱状移动线热源，假设材料的热物理性能参数为常数，分别用不同的贝塞尔函数修正了高速焊和低速焊接时温度场的差异。由于没有考虑板厚方向的温度差异， 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 实际模型为二维。该方法的优点是计算简单，能迅速获得激光焊接温度场，缺点是模型过于粗糙

19、，计算结果与实测结果误差很大13。 70 年代还有Klemans、Cline、Arata14等人分别提出了柱状小孔、移动线热源以及带状热源的模型，这些模型都是适用于二维或半无限大板，计算小孔和熔池的形状。他们忽略熔池对流和热辐射等因素，建立了一个准稳态的二维数学模型。 进入80年代后，伴随着计算机技术的飞跃发展，数值模拟的应用也更加广泛。研究者们开始提出了移动热源、高斯分布热源或者工件移动热源不动等二维数学模型，开始考虑到保护气体的影响、菲涅耳吸收效应、材料热物理性能参数随温度变化和金属流动传热等因素。这些模型计算小孔和熔池的形状有了很大进步。同时组合热源的概念开始出现。 1984 年Mazu

20、mder和Steen最先对服从高斯分布的激光移动热源温度场进行了研究，他们提出的激光焊接热源模型能够预测小孔的形状和大小，至今仍然具有参考价值。他们采用有限差分技术，假定激光束为移动的高斯热源，沿小孔深度方向，小孔吸收的能量按Bear-Lambert法则吸收；工件为无限长、有限宽和有限深；考虑反射率，并且在温度超过汽化点时反射率为零；由逆韧致吸收系数来描述穿过小孔的激光能量被等离子体的吸收和反射。不考虑材料热物理性能的变化和潜热效应或材料内的化学反应，也不考虑小孔内等离子体的热平衡15。 Goldak16提出了双椭球热源模型很具有代表性，不仅可以处理一般的电弧冲力小的焊接热源,也可以处理具有强

21、烈穿透作用的激光焊和电子束焊过程的焊接热源,。如今，双椭球焊接热源模型被焊接界广泛采用，通过调整热源的参数，可以对小孔和熔池的形状进行很好的描述，进一步提高焊接热循环的计算精度，尤其适合于三维模型。 1987 年Dowden17建立模型讨论了小孔内能量传输机制，认为光致等离子体吸收了相当部分的激光能量，其中一部分能量又通过小孔壁传递给工件材料；通过建立熔池流动二维模型，讨论了材料吸收激光能量和焊接速度与熔池熔宽的关系，计算得到全焊透小孔的尺寸和轮廓。 1988 年Steen17率先使用点线组合热源模拟了深熔焊接时的接头形貌， 解释了深熔焊缝截面呈 “钉头” 状的原因。 随后Akhter等人在这

22、基础上提出了移动点-线热源。国内刘建华、李志远教授19等也提出了类似的点线热源组合模型，一方面考虑了激光束通过非涅尔吸收沿柱状小孔壁传递热量，另一方面也考虑了高温等离子云作为附加热源对熔化熔池的贡献。这种组合热源解释了未穿透焊缝“钉头”状熔池形貌形成的原因，但对于穿透焊熔池的截面形貌得不到满意的结果。 1995 年，Y.Matsuhiro等人在对激光焊接进行模拟的过程中研究了小孔的形成，从数值模拟的结果来看，蒸发过程显著影响激光焊接熔池的几何形状。他们假设激 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 光热源是均匀的圆形分布作用于金属表面

23、，熔池温度低于沸点，从激光光斑半径内的能量平衡来估计蒸发量；影响熔池流动的力有重力、表面张力的反作用力20。 1997 年，P.Solana为了确定完全的三维焊接熔池和小孔几何形状，通过设定适当的能量和压力平衡，建立了一个详细的模型。能量平衡不仅考虑了热传导、烧蚀损失和小孔开口表面处的蒸发作用，还考虑了相应的能量吸收机制，即菲涅耳吸收和逆韧致吸收。小孔边界最初视作一个未知的自由边界，并作为问题解的一部分而获得。在低速和中速焊接时，某一深度下的小孔形状以卵形来描述21。 Rabier等人22对激光焊接的三维数值模拟进行了研究。他们考虑了整个工件的传热和熔池内的流体流动。采取了两种模拟策略，第一个

24、是使用预定的圆柱体形状模拟小孔，并考虑了马兰格尼效应(Marangoni Effect)引起的熔化流动。第二个是认为小孔满足局部的机械和能量平衡，并以此为根据进行计算，提出了一个传热和流体流动的三维模型；在此模型中，以ALE的方式模拟了带有小孔的流动，小孔形状由局部的机械平衡得到。 Sudnik等23的研究认为，模拟深熔激光焊接焊缝形状时，应考虑熔池径向的液体回流引起的热传输过程。 他们发现， 焊缝宽度的 5090(随焊速的增加而增加)是由热传导和平移性的热传输(熔化区平移的贡献约为 2030)引起的。其余的1050的缝宽(随焊速的增加而减少)是由对流热传递而引起的。 国内的薛忠明24的激光焊

25、接温度场研究中，分别求出移动线热源的解析解和高斯分布热源的数值解，对比实测的热循环曲线，得出的结论是高斯热源在激光焊接温度场模拟中更贴近实测值。 2000 年，徐九华等人25引以伴随有小孔效应产生的高能量密度束焊接过程为研究对象，建立了运动热源作用下二维小孔焊接中流体流动及传热过程的数学模型。郑启光等26 分析了激光深熔焊接的熔池行为，并着重研究了激光焊接工艺参数(激光模式、功率、聚焦条件、焊接速度和辅助吹气)对焊接熔池行为的影响。 邹德宁等27 对移动热源条件下熔池内流体流动、相变和传热问题进行了数值研究，并基于研究结果对同一扫描速度、不同激光输入功率条件下温度场进行了比较分析。 熊建钢28

26、也通过解析法对未穿透激光焊接模型进行了研究，通过求解“液-汽” 、“固-液”界面的相变界面来获得小孔及熔池形貌，对菲涅尔吸收机制进行了深入的研究。该模型能用于计算激光焊接工艺参数对小孔及熔池形状的影响。 杜汉斌29首次建立了复合热源作用下的激光穿透焊接熔池流动三维准稳态计算模型，热源由作用在激光表面的高斯热源以及沿激光入射方向的柱状热源组成，分别考虑了等离子体和小孔吸收机制。计算过程中，将带松弛因子的动量插值算法引入SIMPLE算法，采用非交错网格对模型离散求解。该模型的计算结果预测了常见的 6 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

27、接中的“沙漏”状熔池形貌。 1.2.2 焊接应力场的研究现状 1.2.2 焊接应力场的研究现状 对焊接过程进行数值模拟的一个重要的目的就是为了获得焊后的残余应力分布和变形，从而为设计者提供帮助，并在结构使用过程中可以分析其承载情况，预测其寿命。 20 世纪 70 年代初，日本大阪大学的上田幸雄教授等人首先以有限元法为基础， 提出了考虑材料力学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论， 导出了分析焊接应力应变过程的表达式，从而使复杂的动态焊接应力过程的分析成为可能。在此基础上又进行了深入的研究，创建了“计算焊接力学” 。 近年来，在对残余应力和变形测量的基础上，人们利用计算机对焊接过程应力、应变模拟

28、及控制方面做了大量的工作。但由于激光焊接特点，造成了其在应力、应变场数值模拟上的困难。以前国内外对焊接应力、应变场的数值模拟的研究主要集中在电弧焊方面，现在人们对于激光焊和电子束焊等高能束流焊接的应力、应变场的研究热了起来。 FRick， GReinhart30等人对激光焊接的数值模拟进行了系统的研究。他们有必要把过程作为两个阶段来分析：第一步，在传热分析内，焊接过程以详细的模型来模拟，所获得的时间温度关系提供了焊缝的显微性能信息，如横截面的几何形状或硬度，在这些结果的基础上，整个工件的热影响，如残余应力和变形，由接下来的第二步确定。第二步，采用顺序热应力耦合分析，即假设应力只依赖于温度分布及

29、其变化，但温度分布并不被应力的变化所影响 。 FRick，GReinhart30等人还对低碳钢板的T-型接头焊接进行了实验和数值模拟。焊接时上板(腹板)在其中心进行固定，而下板只是在T-型接头的左边进行固定。计算结果表明，变形主要在两个方面:一个是角变形，一个是沿着轴线方向的弯曲变形。在这种情况下，残余应力主要由经过塑性变形的焊缝的纵向收缩所引起。结果正应力的第一个分量(焊接方向)在靠近焊缝的区域有超过 300MPa的高拉伸应力。垂直于焊缝的第二个应力分量也被纵向收缩所影响，导致板边缘的压力和板中心的拉伸。 GReinhart31认为，夹具的设计技术是激光焊接中很重要的一点，因此在计算焊接应力

30、和应变的热一机械耦合模型中，必须考虑夹具的作用的影响。 Fanous32 模拟了不同边界条件下焊接残余应力的表现： 第一种情况下他使用了固定单元，第二种情况下他使用了随热源移动的自适应网格技术。他的研究结论是：第二种技术可以明显的缩短计算时间，但两者计算结果相差不大，焊接过程产生的 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 应力并没有因边界条件的改变而产生很大的变化；两自由板对焊生成的残余应力远小于焊接连着某固定在大结构件上的一个小板，并且，残余应力对温度加载的变化并不敏感。 JR CHO等人33对TC4 钛合金焊接的温度场和应力场进行

31、了数值模拟，并对照实验，模拟结果比较吻合，他们发现残余应力的最大值是纵向应力，大小与屈服极限相当，而横向应力相当小，但横向应力和工件的厚度有着显著的关系；塑性变形区域大约是熔池体积的 3 倍。 X.K.Zhu, Y.J.Chao50等人模拟了材料性能依赖温度变化的铝合金的温度场和应力场，采取不同的材料性能参数组来计算，对比实验测得的真实数据，得出结论是，即使采取常温时的材料性能参数代替高温段的参数来计算，温度场模拟结果和实测值相差都很小，而应力场只对材料屈服极限和弹性模量比较敏感，且随温度变化的屈服极限是影响应力场的主要因素。 相比国外而言，国内的焊接应力模拟成为一个研究热点，一般采用体热源或

32、者组合热源，在大型通用的模拟平台如 ANSYS、MARC 和 SYSWELD 上实现模拟。 比较突出的如清华的王煜、赵海燕34等人提出的分段移动双椭球热源模型。由于焊接应力对温度变化不是很敏感，采用该热源模型可以在保持良好计算精度的基础上极大提高计算效率。同时，吴甦35为准确地模拟出大深宽比的”钉头”状高能束熔池(焊缝)形状，提出了新的旋转Gauss曲面体热源模型，并进行了实际的数值模拟与测量实验。上述模型实际是基于双椭球或者高斯热源模型，通过改变其中热源尺寸参数变化而来，有一定的局限性，例如只能适用于模拟尺寸较大的小孔，否则，会在小孔中心生成的虚拟高温比普通焊接材料的最高熔点还高出几个数量级

33、。 由于焊接应力模拟的计算量非常大，计算时间很长，国内清华的鹿安理36等人在模拟中适当的处理高温热物理参数以提高计算效率，并开展了并行计算的应用和研究，这对于应力模拟中节省时间是非常有意义的。 综上所述，在焊接的应力、应变场的数值模拟中，一般都是考虑温度场对应力、应变场的作用而忽略应力、应变场对温度场的影响。此外还有考虑不同温度下微观组织的变化对应力、应变场的影响。 在对有限元模型的网格的划分中，一般在焊缝及其附近的区域进行网格加密，采用三维实体单元，而在远离焊接区的地方一般采用疏网格和二维壳体单元。应用适应性网格划分技术可以减少大量的网格单元，并行计算技术可以节省大量的计算时间。 在对热源的

34、形式的处理上，有的把热生成和热损失处理为内部热源，从而在激光和电子束焊接中无需考虑等离子和熔池流动的影响；有的考虑等离子体和小孔的作用，把激光处理成体热源或组合热源等形式。 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 此外，在模拟中还有的采用自适应时间步技术，有的考虑夹具和重力的影响、应变松弛的影响、热影响区的软化等因素。由于激光焊接过程受到很多因素的影响，关注对结果有决定性影响的因素而忽略其他次要因素，成为研究者们建立各种模型共同的追求。 1.3 当前存在的一些问题 1.3 当前存在的一些问题 1) 如何确定合适的热源模型 温度场模拟是

35、数值模拟第一步工作，后续的应力场模拟是基于温度场结果的。由于激光焊接以及钛合金的材料物理性能的特点，激光焊钛合金得到的焊缝深宽比大、熔池体积和热影响区的尺寸很小，这对模拟熔池的形貌提出很高的要求。从追求比较理想的模拟结果的角度出发，首先必须选择合适的热源模型。例如选择或建立合适的体热源非常重要，使得热量能够集中分布在焊缝高度方向而不是在工件上表面。另外，体热源的各特征参数以及激光的有效功率等参数之间相互影响，难以同时确定，须经过多次试算来确定合适的参数。 2) 如何处理计算时材料高温热物理性参数的不足的难题 材料的热物理性能参数如比热、热传导率、热膨胀系数、屈服强度和杨氏模量等在高温区间的值非

36、常匮乏，即使进行实验测量这些参数，结果的稳定性和准确性也比较差。但材料的高温性能参数对焊接过程数值模拟的结果和计算过程有很大影响，在模拟中如果假设的高温参数不合适，会导致计算结果不精确或者计算中收敛有问题。例如，材料在足够高的温度下，屈服极限和弹性模量等重要参数的数值将失去其实际物理意义。但由于焊接过程的数值模拟基本上是以弹塑性理论为基础的，因此这些参数必须是非零值。而这些参数取值过小会导致收敛的困难，并且即使收敛也会使计算时间大幅度增加，参数取值偏大又会影响结果的准确性。 3) 数值模拟计算效率与精度平衡的问题 一般来说，选择合适的单元，网格的细化有利于结果的精确，但是付出的代价是存储文件和

37、计算时间成级数倍增长。目前人们对这个问题进行很多研究和努力，针对不同的实际情况，研究者们试图开发出更好的单元，画出最优化的网格，适当缩小模型尺寸，或者采取最佳的计算策略等等。例如移动自适应网格概念的提出已经很久了，能大量节省时间和磁盘空间，但是在计算精度上还存在问题，需要有限元分析平台的改进。 4) 激光焊接工艺参数影响焊接应力的规律的研究不够深入 激光焊接应力变形不仅与激光功率、焊接速度等工艺参数有关，而且与材料的性能参数、工件焊接时候的工况有关，同时激光焊接残余应力峰值和分布区间、焊接 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 变形

38、大小与焊缝形状有联系，这些都有待于进一步研究。 1.4 论文的主要工作 1.4 论文的主要工作 实验方面，对钛合金进行搭接接头的激光焊接实验，分析焊接接头的组织性能，研究焊接工艺参数对焊缝形貌的影响，测量焊缝的残余应力；数值模拟方面，在有限元软件 ANSYS 中建立激光焊接钛合金的温度场、应力计算模型，并进行三维实时动态模拟，分析各参数对模拟结果的影响。 1) 典型钛合金材料的激光焊接工艺研究，并进行残余应力的测量 2) 激光焊接温度场分析 3) 激光焊接残余应力分析 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 TC4 钛合金搭接接

39、头激光焊接实验 2 TC4 钛合金搭接接头激光焊接实验 2.1 引言 2.1 引言 钛及多种类型钛合金由于具有许多独特的性能优势，包括高比强度和比刚度、良好的高温性和耐腐蚀性能，优异的综合力学性能和加工性能，目前己得到世界各国的普遍重视，并获得广泛应用。 工业钛合金按其退火组织可分为、和三大类，钛合金是同时加入稳定元素和稳定元素，使相和相都得到强化，其性能特点是常温强度、耐热强度及加工塑性都比较好，可进行热处理强化。但这类合金组织不够稳定，焊接性能不及钛合金。TC4 是一种非常典型的型两相钛合金，它含有 6的稳定元素铝和 4稳定元素钒。该合金具有优异的综合性能，在航空和航天工业中获得最广泛的应

40、用。它的长时间工作温度可达 400，用于制造发动机的风扇和压气机盘与叶片，以及飞机结构中的梁、接头和隔框等重要承力构件36。 钛合金的成分和微观结构是决定其焊接性的重要方面，特别是在相存在的时候，往往会造成焊接性能的恶化。为了得到高质量的焊缝，钛合金的焊接过程中氧的控制至关重要。不正确的保护、表面处理不好、焊接材料表面氧化膜的出现都会导致焊缝质量恶化，产生气孔和形成不希望得到的焊缝形态和微观结构。钛合金焊接的常见缺陷主要有三种：焊接接头脆化；焊接接头裂纹；焊接接头中的气孔。 钛合金在高温下，特别是在熔融状态下对气体(氧和氮)有很大的活性，极易氧化和氮化。所以必须排除活性气体(包括空气中的氧气,

41、氮气以及水分等)的污染，并保持工件的清洁。获得优良接头的必备条件是，不仅要可靠地保护焊接熔池免受氧化，而且对温度在 400以上的区域都应该实施保护，否则将出现气孔、接头脆化等现象。 2.2 实验条件和实验方法 2.2 实验条件和实验方法 2.2.1 实验材料和设备 2.2.1 实验材料和设备 实验材料为 TC4 钛合金轧制板，厚度为 1.6mm。化学成分如表 2.1 所示。 焊接结构为搭接接头， 上下两板厚度相同， 尺寸一样为： 1001001.6 （单位： mm） ，示意图如图 2-1 所示,Y 向为焊接方向，Z 为高度方向，下同。 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华

42、中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 表 2.1 TC4 的化学成分 主要化学成分% 杂质(%)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 图 2-1 TC4 激光焊搭接接头示意图 实验设备采用华中科技大学激光重点实验室的为五轴联动CO2板条激光器，连续输出光束，光斑直径为 1mm；显微硬度采用HX-500 型显微硬度计测量；残余应力采用应力释放法，使用YJ-5 型静态电阻应变仪。 2.2.2 实验方法 2.2.2 实验方法 1) 焊接过程： 焊件预处理

43、：金属清洗液除油、水冲洗、酸洗、水冲洗、烘干保存。氧化层较厚时，可用粗砂纸打磨。试件酸洗后，表面呈银灰色。此外，还应用清洁的不锈钢钢刷清理焊口及附近区域。 气体保护：采用高纯氩气保护，设计专用夹具以保证焊接时焊缝背面良好的保护，焊前 10min 左右预先通入氩气，以排除拖罩内空气。焊缝正面采用气体保护拖罩，拖罩示意图如图 2-2 所示，拖罩长度应保证温度高于 200的焊缝区间处于拖罩中氩气的保护之内，氩气由进气管导入，经气体均布管上端的排气孔导出，并将拖罩中的空气挤出，再经过气体透镜使氩气均匀地覆盖在接头区域。 2) 焊后试件处理、分析 a 观察焊后试件的正面及背面的氧化程度； b 对焊缝进行

44、处理，经过切割、打磨、抛光、腐蚀和清洗，制成金相试样，观测焊缝； c 焊缝尺寸测量：测量位置 H、B、b 值见图 2-3，b 值反映接头的承载能力 d 完全破坏法测量纵向残余应力。使用 YJ-5 型静态电阻应变仪，电阻应变片的粘贴位置在离焊缝 30mm 内间隔 10mm，其余间隔 15mm。 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2-2 气体保护拖罩示意图 图 2-3 焊缝横截面尺寸 H熔深 B熔宽 b1/2 板厚处的熔宽（结合面宽度值） 2.3 实验结果及分析 2.3 实验结果及分析 2.3.1 不同工艺参数对焊缝熔宽熔深的

45、影响 2.3.1 不同工艺参数对焊缝熔宽熔深的影响 焊后观察焊缝金属的氧化程度， 以及从焊缝的金相试样观测到焊缝形貌和气孔的分布，来评定焊缝成型的好坏。按钛合金焊接的氧化程度，从无氧化到严重氧化，焊缝金属表面氧化膜颜色依次为银白、浅黄、深黄、金黄、深蓝、灰蓝、灰红、灰白。焊缝中气孔的形成主要是由于气体保护不力以及焊前清理不够干净引起的，如果气孔比较多的话，需要对保护装置进行改进，对保护气体以及试件的清洗做更严格的要求。 改变激光输入功率和焊接速度，以获得不同的激光线能量下，得到不同形貌的 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 焊缝

46、状态，如表 2： 表 2 激光焊实验的不同工艺参数 试样编号 焊接功率P(KW) 焊接速度 V(m/min)线能量(J/mm) 焊缝成型状态 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 典型的不同参数下的焊缝截面形状宏观照片图（图

47、2-4） ： 图 2-4 特定参数下焊缝截面宏观形貌 1) 激光功率与焊缝尺寸的关系 从实验测得的数据可以看出，焊缝的熔深与激光输出功率密度密切相关，是功率和光斑直径的函数。对一定的光斑直径，其他条件不变时，焊接熔深随着激光功率的增加而增加。熔宽也几乎是与激光功率成正比变化（图 2-5） 。 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2-5 焊接功率 P 与 H、B、b 的关系 需要强调的是，由于激光焊接的钛板厚度有限，导致 H 曲线的尾端斜率降低，曲线趋于平缓。如果钛板的厚度增加，则 H 曲线仍然会呈上升的趋势。 2) 焊接速度

48、与焊缝尺寸的关系 焊接速度影响熔宽和熔深。在一定的激光功率下，提高焊接速度，线能量下降，熔深减小，所以熔深几乎与焊速成反比；适当降低焊速可加大熔深，但速度过低，却不会使得熔深增加，反而使得熔宽增大（图 2-6） 。 图 2-6 焊接速度 V 与 H、B、b 的关系 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 这种现象的主要原因是激光深熔焊时，维持小孔存在的主要动力是金属蒸气的反冲压力，在焊接速度低到一定的程度后，线能量增加，熔化金属越来越多，当金属汽化所产生的反冲压力不足以维持小孔的存在时，小孔不仅不再加深，甚至会崩溃，焊接过程就会变为

49、熔化焊，则熔深不会再增加。另一个原因是随着金属汽化的增加，小孔区域的温度上升，等离子体的浓度增加，对激光的吸收增加。这些原因使得焊接速度较低时，激光焊熔深有一个最大值。即对于给定的激光功率等条件，存在一个维持深熔焊接的最小焊接速度。 3) 线能量与焊缝尺寸的关系 焊接熔深 H 与激光焊接线能量 Q 成直接的线性关系（图 2-7） ，即 Q 增加，则 H也增加。但 Q 达到一定程度大小时，H 就不会随着 Q 的变化而变化了，这是由于受到了板厚的影响。从 H、B、b 与线能量 Q 的测量数据可以得知，Q 除了对焊接熔深 H 的影响较为显著外，对 B 和 b 的变化几乎没有什么影响。 图 2-7 线

50、能量与熔深的关系 2.3.22.3.2 显微组织和显微硬度分析 显微组织和显微硬度分析 TC4 钛合金的原始组织是+相，经激光焊接后，由于受热的影响程度不同,焊接接头在近缝区靠近熔合线附近将发生晶粒粗化,焊缝组织形态为大量柱状晶和等轴晶以及少量的板条马氏体（）出现。焊缝中存在篮织网状组织,是在冷却过程中由于相接近与马氏体的成分,部分相成分固溶于相且在相边缘弥散析出所致（图 2-8）。在冷却过程中，首先形成的是一次晶粒，并在较长距离扩展，分割未转变的相。在结晶温度以上冷却时，被分割的相转变成一系列针状二次组织。焊缝晶粒度与基体差异较大,焊缝区的晶粒尺寸在 100160m ,而基体母材 16 华

51、中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的晶粒尺寸约为 50m 左右。焊缝晶粒粗大严重增加了组织脆性。焊缝晶粒大小与实际焊接温度及在转化温度以上的停滞时间有关。故焊缝熔池中部的针状组织要比接近焊缝熔池表面的针状组织多和密集38。 a) b) 图 2-8 焊缝显微组织 a) P=2.3KW，V=2.5m/min b) P=2.3KW，V=2.0m/min 热影响区组织是+的混合物。但热影响区的针状组织没有焊缝区域那么多（图 2-9） ，是因为 HAZ 的冷却速度要比焊缝区域慢，故由相组织转变而形成的针状相组织不多。 钛合金焊接时，最常见的缺陷是

52、气孔。分布在焊缝区及熔合线附近的气孔大大降低了焊接结构的疲劳强度。焊缝区的气孔可能是由激光焊接的原理而导致的。焊接熔池中产生许多金属蒸气的气团，快速冷却时，蒸气团来不及逸出熔池表面，焊接熔池就凝固了。因此，金属蒸气凝固的同时，就会在焊缝内部形成孔洞（图 2-9） 。钛及钛合金焊缝气孔往往有分布在熔合线附近的特点，有研究者认为这种气孔特点的形成与氢在钛中的溶解度有关。氢在钛中的溶解度随温度的升高而降低，在凝固温度处有跃变，熔池中部比熔池边缘的温度高，故氢从熔池中部易向熔池边缘扩散，因为后者比前者对氢有更高的溶解度，故熔池边缘因氢过饱和而形成气孔39。 分别选取 1， 4， 6， 10 四个试样做

53、显微硬度测试， 结果如图 2-11 所示， 由图 2-11可以看出，硬度的整体变化趋势是，焊缝中心的显微硬度值较高，高于热影响区部分的硬度值，热影响区部分的硬度值有时也呈跳跃状态。母材的硬度值最低。焊缝及热影响区的硬度是由化学成分和冷却速度决定的，而激光焊接中的高温度梯度值造成的快速冷却条件，使得焊缝中心发生马氏体相变，生成针状的相，大量的晶界增强了焊缝区的硬度。热影响区的针状相组织相对较少，硬度也低于焊缝 区。母材为等轴的+相的混合物，硬度最小。所以从焊缝到母材，相的数量逐渐减少，显微硬度值也是逐渐降低。及越远离焊缝区域，显微硬度越低40-41。 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位

54、 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 a) b) c) d)（焊缝底部 HAZ） 图 2-9 热影响区的显微组织 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 图 2-10 气孔的形貌 18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2-11 离焊缝中心距离与显微硬度的关系 （图中数字为试样编号） 2.3.3 残余应力结果与分析 2.3.3 残余应力结果与分析 激光焊接过程中，焊接区域以远

55、远高于周围区域的速度被急剧加热，并局部熔化。焊接区域的材料受热而膨胀，热膨胀受到周围较冷区域的约束，并造成弹性范围内的热应力，而随着温度的上升，压缩内部变形不断增加，热应力也不断增加，同时受热区温度升高后屈服极限下降，热应力可部分地超过该屈服极限；结果，焊接区域形成了塑性的热压缩；冷却后，产生压缩塑性变形的焊缝区域则比周围区域相对缩短、变窄或减小。因此，凝固后，焊缝及热影响区就呈现拉应力，周围区域则呈现压应力。 纵向残余应力测量的是焊接工艺条件 （P=1.5KW， V=2m/min） 下搭接接头的上板，因为下板未焊透，上板变形大，残余应力相对下板会大一些。在本实验中采取完全破坏释放应力法来测量

56、纵向残余应力。 结果显示紧邻焊缝区域为拉应力，离开焊缝区，拉应力迅速下降，以致出现压应力（图 2-12） 。离焊缝中心约 2.5mm 处测得纵向残余应力达 135MPa，在大约 8mm处出现压应力。可见实验所得结果与残余应力的理论分布规律是相符合的。 由于激光焊接的能量相对集中，焊接热影响区较小，热影响区的残余应力也相对较小；但在焊缝及其熔合线上，激光焊的残余应力却较高。因此激光焊接的残余 19 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 应力分布比较陡。且激光焊接工艺参数对残余应力的值和分布均有显著的影响。对于不同线能量的激光焊接，线能量越

57、大，焊缝越宽，热影响区的残余应力也就越大。 图 2-12 激光焊接搭接接头纵向残余应力的分布 （P=1.5KW，V=2m/min） 2.4 本章小结 2.4 本章小结 1) 对一定的光斑直径， 其它条件不变时， 焊接熔深随着激光功率的增加而增加；熔宽也是与激光功率成正比变化。 2) 熔深几乎与焊速成反比；适当降低焊速可加大熔深，但速度过低，却不会使得熔深增加，反而使得熔宽增大。 3) 焊缝中心发生马氏体相变，生成针状的相；热影响区的冷却速度较焊缝区低，故形成的针状相组织相对较少；母材为等轴的+相的混合物。从焊缝到母材，显微硬度值逐渐降低。激光焊接中的高温度梯度值造成的快速冷却条件，使得焊缝中心

58、发生马氏体相变，生成针状的相，使得焊缝区的硬度较高。 4) 测得的近焊缝中心纵向残余应力可达 135MPa。 20 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 钛合金搭接接头激光焊接温度场数值模拟 3 钛合金搭接接头激光焊接温度场数值模拟 3.1 激光深熔焊热传导理论概述 3.1 激光深熔焊热传导理论概述 激光深熔焊过程与电子束焊极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”结构来完成的。在足够高的功率密度光束照射下，材料产生蒸发形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎全部吸收入射光线的能量。热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔

59、的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸气，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周即围着固体材料。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸气压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定态。也就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属填充着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。 图 3-1 激光深熔焊接示意图 激光焊接是激光对金属的辐射作用，因此可将激光辐射作用看作一个加热的热源，激光焊接的热传导遵循热力学中的传热的基本规律，包括热传导、对流、辐射三种形式。激光焊接按穿透焊接

60、机制进行，在此处我们一般讨论未发生相变的情形，不考虑物体变形对温度场的影响。温度场的计算按对三维热传导方程求解，计算前假定工件是各向同性材料，还需给定适当的边界条件、初始温度分布和金属材料的 21 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 热物理特性等参数。 3.1.1 激光深熔焊热传导微分方程 3.1.1 激光深熔焊热传导微分方程 激光深熔焊过程中存在复杂的非固态物理现象如液态质量的迁移和汽化等，熔池内的传热机制十分复杂，不仅有固体热传导而且还有液态熔体流动和气体的流动，但是研究熔池具体的微观的传热机制对实际工程没有太大的意义，不能很好的