tc4鈦合金薄板激光焊接橫向殘余應(yīng)力分布及變化規(guī)律的數(shù)值模擬

1、西安焊接技術(shù)學(xué)會(huì)第三屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集1TC4鈦合金薄板激光焊接橫向殘余應(yīng)力分布及變化規(guī)律的數(shù)值模擬張可榮，李洪志，張建勛（西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710049）摘要：要：利用符合彈塑性本構(gòu)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，施加高斯旋轉(zhuǎn)曲面體熱源，建立了符合實(shí)際激光焊接過程的有限元分析模型。通過改變激光功率、焊接速度、光斑直徑的取值，探討TC4鈦合金橫向殘余應(yīng)力的變化規(guī)律。通過分析殘余與瞬態(tài)應(yīng)力分布，揭示激光焊接塑性應(yīng)變的形成與橫向殘余應(yīng)力的分

2、布規(guī)律。結(jié)果顯示，激光焊接規(guī)范改變對(duì)接頭橫向殘余應(yīng)力的影響有限，TC4鈦合金激光焊接頭橫向殘余應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，且峰值不大，只有試板兩端出現(xiàn)了不利的橫向殘余應(yīng)力分布模式。熱源作用瞬間，位于已冷卻部位的熱源后部產(chǎn)生了壓縮塑性應(yīng)變。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：塑性應(yīng)變；瞬態(tài)應(yīng)力；焊接規(guī)范；應(yīng)力梯度NumericalSimulationofTransverseResidualStressVariationonTC4TitaniumAlloySheetby

3、LaserWeldingZhangKerongLiHongzhiZhangJianxun(SchoolofmaterialsscienceengineeringXi’anJiaotongUniversityXi’an710049)Abstract：MathematicalmodelwithelasticplasticconstitutiveequationsisusedtheGaussianrotatingcurvedfacebodyh

4、eatresourceisappliedafiniteelementanalysismodelmeetwiththerealisticlaserweldingprocessisestablished.ThevariationlawoftransverseresidualstressisexpledbychangingthelaserpowerweldingspeedspotdiametervalueonTC4titaniumalloy.

5、Theplasticstrainfmationthetransverseresidualstressdistributionaredisclosedbyanalyzingtheresidualtransientstress.ResultsshowedthatthechangeoflaserweldingconditionhaslimitedimpactontransverseresidualstressonthejointsTC4las

6、erweldingtransverseresidualstressiscomposedmostlybycompressivestressthepeakisnothighbuttherehasnegativeresidualstressdistributioninthetransversemodeatbothendsofthetestplate.Thecompressionplasticstraininthecoolingsiteatth

7、erearoftheheatresourceisgeneratedatthemomentofheatresourceacting.Keywds:plasticstraintransientstressweldingconditionstressgradient0序言1激光焊接頭具有很高的殘余應(yīng)力峰值和非常集中的高應(yīng)力分布區(qū)域。在焊縫及近縫區(qū)存在著分布陡峭，變化非常劇烈的殘余應(yīng)力梯度狀態(tài)。激光深熔焊伴隨著快速多變的熱循環(huán)過程，由此產(chǎn)生小孔

8、效應(yīng)。在小孔形成的瞬間，小孔的氣態(tài)介質(zhì)與包圍小孔的液態(tài)熔池產(chǎn)生相互作用，在氣液兩相的結(jié)合面上由于材料屬性及晶體參數(shù)的突變，會(huì)形成很大的能量與溫度梯度。高的溫度梯度對(duì)于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50475093)塑性應(yīng)變及殘余應(yīng)力的形成有著重要的作用。而激光焊接過程形成的大梯度殘余應(yīng)力分布狀態(tài)與激光焊接過程中的溫度梯度與塑性應(yīng)變梯度有著極為密切的關(guān)系。激光焊接中工藝參數(shù)的影響對(duì)于接頭溫度、應(yīng)力的產(chǎn)生演變具有重要的作用。隨著激光輸入能量密度及焊

9、接線能量的改變，接頭殘余應(yīng)力與應(yīng)力梯度的分布將產(chǎn)生很大的變化。因此研究激光焊接工藝參數(shù)改變對(duì)接頭殘余應(yīng)力及應(yīng)力梯度分布演變的影響，對(duì)于表征和揭示激光焊接大梯度殘余應(yīng)力的特點(diǎn)，找到控制大梯度殘余應(yīng)力發(fā)生的方法，都有著重要的作用。西安焊接技術(shù)學(xué)會(huì)第三屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集73??????????????????depDdepDepDeDTeDffTSdT???????????????????????????????????????10這里為彈塑性

10、矩陣??Dep??????????SDeffDeDeDep??????????????（5）令，則????DepD????????????????????????????????????????????STffDeTDeDepDepCcpC01?????????則有，????????dTCdDd????塑性區(qū)的加載卸載由下式判定，對(duì)于式（4）中的?，??0加載過程；?=0中性過程；??0卸載過程；卸載時(shí)材料呈彈性行為，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系用（

11、3）表示。1.2.2熱源模型本文選擇高斯旋轉(zhuǎn)曲面體熱源進(jìn)行加載，高斯旋轉(zhuǎn)曲面體熱源是將高斯曲線圍繞其對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)而形成的曲面所圍成的曲面體，如圖2所示[5~6]。假設(shè)焊接熱源能量全部分布在此曲面體內(nèi)部，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：，)](]ln[3exp[)00()(22yxzHCqzyxqs???，。11[3)00(3eHQCqs???203RCs?1.3網(wǎng)格劃分考慮到平板的對(duì)稱性，取試件的一半進(jìn)行分析，在垂直焊縫平面上施加絕熱和對(duì)稱約束。激光焊接

12、是一個(gè)溫度隨時(shí)間和空間急劇變化的過程，溫度梯度很大。因此，網(wǎng)格劃分采用了近焊縫處細(xì)密，遠(yuǎn)離焊縫處逐漸稀疏的兩層過渡單元，示意圖見圖3。2TC4鈦合金橫向殘余應(yīng)力分布圖4為TC4鈦合金薄板激光深熔焊橫向殘余應(yīng)力分布圖。所采用的焊接規(guī)范為：激光功率：2500W，焊接速度：100cmmin，光斑直徑：0.5mm，離焦量：1.5mm。從圖中可看出，TC4鈦合金激光焊接高橫向殘余應(yīng)力區(qū)域分布很窄，只分布于焊縫及熔合線附近，基體組織基本沒有形成有影