TC4鈦合金薄壁件激光焊接數(shù)值模擬研究.pdf

1、鈦合金被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和航天軍事,具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高、不導(dǎo)磁的特點(diǎn)。激光焊接鈦合金具有以下優(yōu)點(diǎn):焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小、焊接變形小和焊接效率高。
　　本文采用有限元軟件ANSYS的MechanicalAPDL和FLUENT模塊對(duì)TC4鈦合金的激光焊接匙孔成形和消失過(guò)程、平板焊接溫度場(chǎng)和圓管管件焊接熱應(yīng)力場(chǎng)和焊接變形進(jìn)行數(shù)值模擬分析,其研究對(duì)于弄清鈦合金薄壁件激光焊接過(guò)程溫度場(chǎng)、流場(chǎng)以及熱應(yīng)力場(chǎng)具有重要意義。

2、　　首先,針對(duì)激光焊接過(guò)程匙孔成形和消失過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。采用光束追蹤熱源,考慮了熔池自由表面、蒸發(fā)反作用力、表面張力、浮力和重力作用等因素建立二維對(duì)稱(chēng)數(shù)值分析模型。研究結(jié)果表明,當(dāng)激光輸入量較小時(shí),匙孔為盲孔,焊縫形狀為“碗狀”;當(dāng)激光輸入量較大時(shí),匙孔為穿孔,工件底部熔池呈順時(shí)針流動(dòng),熱量從工件中心向熔池邊緣一側(cè)傳遞,導(dǎo)致下表面熔寬增大,最后形成“鼓形”焊縫;激光吸收效率隨著匙孔深度的增加而增加,當(dāng)匙孔深度超過(guò)0.44mm時(shí),激光吸

3、收效率明顯增加,形成“匙孔效應(yīng)”。
　　其次,針對(duì)鈦合金平板連續(xù)焊接過(guò)程溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)比不同激光功率和速度下熔池尺寸和高溫停留時(shí)間。研究結(jié)果表明,采用錐狀熱源模型模擬TC4薄板熔透時(shí)的溫度場(chǎng),得到的焊縫橫截面輪廓與實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配良好;焊接初始階段位置附近存在未熔透,當(dāng)焊接開(kāi)始后一定時(shí)間達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài);對(duì)于板厚為1mm,激光功率為1000W,焊接速度為10mm/s,距離焊接初始點(diǎn)1.944mm之前位置未熔透,焊接開(kāi)始后0.53s