钛合金T型接头激光深熔焊温度场数值模拟

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摘要：激光深熔焊接温度场分析对于焊接应力、变形与接头组织性能预测，优化焊接工艺，保证焊接结构的制造质量等方面具有重要意义。针对激光深熔焊特点，采用组合热源模型与瞬态有限元方法，通过确定合理的能量分配系数，依据熔池边界准则，对钛合金T 型接头激光深熔焊的三维温度场进行了模拟研究。 关键词：钛合金 激光焊 组合热源 温度场 1 引言 激光焊作为一种高能束焊接方法，广泛应用于高精度、高质量的现代工业焊接领域。 由于激光焊是一个快速、不均匀的热循环过程，焊接区域温度梯度极大，对结构焊后的残余应力和变形有重大影响，成为焊接结构质量和使用性能的重要作用因素，所以准确地认识焊接热过程，对焊接应力与变形预测控制、组织性能分析及保证结构质量具有重要意义。 针对激光深熔焊机制，国外从70 年代以来，就有很多学者[1~4]对其进行了深入的研究，提出了描述激光深熔穿透过程的蒸汽小孔模型；研究了熔池形状以及熔池中金属的流动和热流分布；考虑被焊材料的电子密度、离子化程度、等离子体对入射激光吸收系数的影响和激光焊接工艺参数对熔深的影响，建立了不同的能量吸收模型。近年来，国内有关激光焊接机理及激光焊接温度场与力学场的数值模拟方面的研究也正在引起重视[5~12]。 激光深熔焊热过程分析表明，普通熔焊的热源模型不适合激光深熔焊特点，而严格按照“小孔”穿透机理进行温度场分析又很难适应工程实际的需要。根据焊接传热机制，焊件的整体温度场与焊接熔池边界向周围焊件传递的热量密切相关，因此，建立能够模拟激光深熔焊熔池边界的热源模型对于实际焊件的温度场分析十分必要。本文根据激光深熔焊工艺分析的实际需要，对TC4（Ti-6Al-4V）和ZT4（Ti-6Al-4V）两种工业钛合金激光深熔焊接时的温度场进行了数值模拟。 2 激光深熔焊热源模型 2.1 激光深熔焊的基本特征 当激光功率达到106W/cm2 时，激光能量向工件输入的速率远大于传导、对流、辐射散热的速率，材料表面产生汽化而形成匙孔，激光能量是通过匙孔而进行转换和传递的。 激光深熔焊接中熔池与匙孔如图1。焊件表面被加热、熔化、蒸发，在蒸汽压力的作用下形成匙孔，当匙孔产生的蒸汽压力与熔池中液体金属的静应力达到平衡时，匙孔稳定存在。 图1 激光深熔焊接示意图激光深熔焊由于匙孔的穿透作用，焊缝截面形貌特征为钉形焊缝[4]，焊缝的深宽比远大于普通熔焊焊缝。 2.2 热源模型 对于焊接热过程模拟，当穿透深度较小时，例如普通熔焊的传热分析，使用面热源模型就可以较好地模拟温度? Ｆ渌Ｄ獾暮阜烊劭斫洗螅凵罱闲。鄢爻是车停谏疃确较蛏希浅拾朐残蔚模欢杂诟吖β拭芏热仍吹募す馍钊酆附樱嫒仍茨Ｐ秃雎粤思す舛杂诒砻嬉韵氯鄢氐耐诰蜃饔茫耸笨梢圆捎锰迦仍唇蟹治觯Ｄ獾娜鄢匦巫从胧导实暮阜烊酆舷咴谌凵罘较蛏辖衔呛希侨鄢乇砻娓浇蛉跃晌薹Ｄ狻? 为了模拟出具有大钉头小钉身的激光深熔焊焊缝，使用面热源和体热源两种类型热源相组合的模型是一种合理的方案，这样模拟的熔池形状才与实际的焊缝熔合线基本吻合。 在体热源模型中，峰值热流沿深度递增的旋转体热源模型是一种比较符合深熔焊实际传热过程的焊接热源模型，因为它不仅考虑了深度方向热流作用半径的衰减，将生热质点限定在熔池区域范围，而且对深度方向生热质点的功率消耗进 行了有效的补偿。所以在组合热源中，表面热源取高斯型热流分布面热源模型，而体热源取峰值热流递增的旋转体热源，其模式如图2所示。其中面热源控制表面熔池和钉形焊缝的钉头部分，体热源反映匙孔效应导致的深层液体薄层和“钉形”焊缝。 图2 组合热源模型示意图总的输入功率在组合热源中需要按一定比例分配，总热流等于表面热流与体积热流两者之和。即： Ps + Pv = P（1） 式中 Ps、Pv 分别为面热源和体热源的功率，P 为热源的有效功率。 将面热源功率所占总有效输入功率的比例系数称为能量分配系数，用γ来表示，则有： Ps = γP , Pv = (1-γ)P （2） 能量分配系数表征了焊缝横截面上沿深度方向能量沉积的分布规律，它直接决定了焊缝的深宽比，这样也就基本决定了焊缝截面形貌特征。能量分配系数的取值主要取决于激光深熔焊接时的离焦量、焊接速度以及热扩散系数等。 移动高斯面热源模型为： (3) 式中，ν为焊接热源移动速度，时间因子τ定义了t=0 时的热源位置，r0 为热流密度降为最大热流密度的5%处的点到热源中心的径向距离。峰值热流递增型旋转体热源的一般形式可以表示为：式中 I(z)为峰值热流递增函数，将该递增函数与9Pv/(πhr20)合并考虑，就可以表示峰值热流沿深度方向的递增关系，对于深度方向生热质点的功率消耗进行了有效的补偿。r1(z)表示旋转体的热流作用半径沿深度衰减。 峰值热流递增函数以及旋转体的半径衰减函数形式的选择较为灵活，这两个函数的选取大体上取决于焊缝的形貌特征。一旦设定了这两个函数，就可以利用功率平衡方程求解相应的峰值热流递增型旋转体热源模型。 在激光深熔焊温度场分析中，移动高斯面热源是作为热流密度施加在面单元上的，而峰值热流递增型旋转体热源是作为生热率施加在整个单元体上的。 3 钛合金激光深熔焊温度场模拟 3.1 几何模型 钛合金激光焊接T 型接头实际几何模型焊件如图4。其中，翼板材料为TC4 钛合金，厚度1.7mm，长度60mm，宽度20mm，腹板材料为ZT4 钛合金，厚度10mm，高度12.3mm，长度60mm。TC4 是一种á＋