鈦合金t型接頭激光深熔焊溫度場數(shù)值模擬

1、鈦合金T型接頭激光深熔焊溫度場數(shù)值模擬1引言引言激光焊作為一種高能束焊接方法，廣泛應(yīng)用于高精度、高質(zhì)量的現(xiàn)代工業(yè)焊接領(lǐng)域。由于激光焊是一個(gè)快速、不均勻的熱循環(huán)過程，焊接區(qū)域溫度梯度極大，對結(jié)構(gòu)焊后的殘余應(yīng)力和變形有重大影響，成為焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量和使用性能的重要作用因素，所以準(zhǔn)確地認(rèn)識焊接熱過程，對焊接應(yīng)力與變形預(yù)測控制、組織性能分析及保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有重要意義。針對激光深熔焊機(jī)制，國外從70年代以來，就有很多學(xué)者[1~4]對其進(jìn)行了深入的研究

2、，提出了描述激光深熔穿透過程的蒸汽小孔模型；研究了熔池形狀以及熔池中金屬的流動和熱流分布；考慮被焊材料的電子密度、離子化程度、等離子體對入射激光吸收系數(shù)的影響和激光焊接工藝參數(shù)對熔深的影響，建立了不同的能量吸收模型。近年來，國內(nèi)有關(guān)激光焊接機(jī)理及激光焊接溫度場與力學(xué)場的數(shù)值模擬方面的研究也正在引起重視[5~12]。激光深熔焊熱過程分析表明，普通熔焊的熱源模型不適合激光深熔焊特點(diǎn)，而嚴(yán)格按照“小孔”穿透機(jī)理進(jìn)行溫度場分析又很難適應(yīng)工程實(shí)際

3、的需要。根據(jù)焊接傳熱機(jī)制，焊件的整體溫度場與焊接熔池邊界向周圍焊件傳遞的熱量密切相關(guān)，因此，建立能夠模擬激光深熔焊熔池邊界的熱源模型對于實(shí)際焊件的溫度場分析十分必要。本文根據(jù)激光深熔焊工藝分析的實(shí)際需要，對TC4（Ti6Al4V）和ZT4（Ti6Al4V）兩種工業(yè)鈦合金激光深熔焊接時(shí)的溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬。2激光深熔焊熱源模型激光深熔焊熱源模型2.1激光深熔焊的基本特征當(dāng)激光功率達(dá)到106Wcm2時(shí)，激光能量向工件輸入的速率遠(yuǎn)大于傳導(dǎo)、

4、對流、輻射散熱的速率，材料表面產(chǎn)生汽化而形成匙孔，激光能量是通過匙孔而進(jìn)行轉(zhuǎn)換和傳遞的。激光深熔焊接中熔池與匙孔如圖1。焊件表面被加熱、熔化、蒸發(fā)，在蒸汽壓力的作用下形成匙孔，當(dāng)匙孔產(chǎn)生的蒸汽壓力與熔池中液體金屬的靜應(yīng)力達(dá)到平衡時(shí)，匙孔穩(wěn)定存在。圖1激光深熔焊接示意圖激光深熔焊接示意圖激光深熔焊由于匙孔的穿透作用，焊縫截面形貌特征為釘形焊縫[4]，焊縫的深寬比遠(yuǎn)大于普通熔焊焊縫。2.2熱源模型（3）(3)式中，ν為焊接熱源移動速度，時(shí)間

5、因子τ定義了t=0時(shí)的熱源位置，r0為熱流密度降為最大熱流密度的5%處的點(diǎn)到熱源中心的徑向距離。峰值熱流遞增型旋轉(zhuǎn)體熱源的一般形式可以表示為：式中I(z)為峰值熱流遞增函數(shù)，將該遞增函數(shù)與9Pv(πhr20)合并考慮，就可以表示峰值熱流沿深度方向的遞增關(guān)系，對于深度方向生熱質(zhì)點(diǎn)的功率消耗進(jìn)行了有效的補(bǔ)償。r1(z)表示旋轉(zhuǎn)體的熱流作用半徑沿深度衰減。峰值熱流遞增函數(shù)以及旋轉(zhuǎn)體的半徑衰減函數(shù)形式的選擇較為靈活，這兩個(gè)函數(shù)的選取大體上取決于

6、焊縫的形貌特征。一旦設(shè)定了這兩個(gè)函數(shù)，就可以利用功率平衡方程求解相應(yīng)的峰值熱流遞增型旋轉(zhuǎn)體熱源模型。在激光深熔焊溫度場分析中，移動高斯面熱源是作為熱流密度施加在面單元上的，而峰值熱流遞增型旋轉(zhuǎn)體熱源是作為生熱率施加在整個(gè)單元體上的。3鈦合金激光深熔焊溫度場模擬鈦合金激光深熔焊溫度場模擬3.1幾何模型鈦合金激光焊接T型接頭實(shí)際幾何模型焊件如圖4。其中，翼板材料為TC4鈦合金，厚度1.7mm，長度60mm，寬度20mm，腹板材料為ZT4鈦合