【论文】关于钛合金激光焊接工艺研究及激光穿透焊温度场数值模拟

1钛合金激光焊接工艺研究及激光穿透焊温度场数值模拟摘要钛及钛合金因其比强度大和优良的耐酸腐蚀性能，在各行各业中得到越来越广泛的应用。激光焊接由于具有能量集中、焊缝成形好、操作简单、易于监测等优点，非常适合焊接钛合金材料。论文通过激光焊接试验表明钛合金激光焊接的主要缺陷是气孔，空气中的氧气、氮气和工件表面的水分是造成气孔的主要原因。钛合金激光焊接焊缝强度、硬度提高，塑性、弯曲性能下降。对1．8mm厚P20型钛合金板激光拼焊推荐工艺参数为激光功率1600～1800W，焊接速度2．7～3．6ndmin。激光穿透焊接过程包含着一系列复杂的物理、化学反应现象，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(通常高达10。W／cm2以上)，被焊材料在极短时间内熔化、汽化乃至蒸发，从而形成小孔，并出现激光诱导的等离子体。在激光焊接过程中，光致等离子体、小孔以及熔池的行为决定了焊缝成形以及焊接质量。对激光焊接的模拟尽管前人已经作了大量的研究，但是对激光穿透焊接三维温度场的实时再现仍存在一定的局限。目前，虽然ANSYS(一种大型有限元软件)正在成为有限元模拟领域研究的热点，但国内外还未见将其应用在激光焊接过程数值模拟的相关报道。论文探讨了基于ANSYS软件进行激光穿透焊接三维温度场数值模拟的若干关键问题。论文采用球状热源和柱状热源相结合的双热源模型，用APDL语言开发的ANSYS计算程序，能有效地对激光穿透焊接过程三维温度场变化情况进行模拟。论文还针对使用ANSYS软件要求较高的特点，采用面向对象程序设计的方法进行二次开发，在VC++6．0开发环境下将其封装。这样，通过其友好的人机界面，激光焊接专家只需输入激光穿透焊接工艺参数即可自动调用ANSYS模块进行后台计算，而勿需专门学习有限元理论和ANSYS软件，方便了用户的使用。2关键词：钛合金激光弹接激光穿逸焊三维温度场数宿模拟ABSTRACTWiththeadvantagesofhighstrength—to—weightrmio，excellentcorrosionsresistance，titaniumandtitaniumalloyhavebeenappliedmoreandmorewidelyinmanyfields．Thelaserweldingissuitableforthetitaniumandtitaniumalloybecauseofitsllighpowerdensity,goodweldingperformance，andeasyinspection．Basedonexperimentsoftitaniumlaserwelding，theresultshowsporesareacomnqondefectintheweldforlaserweldingoftitaniumalloys．The02，N2intheairandtheH20absorbedOnthesurfaceoftheworkpiecearethemainresourceofthesepores．Thetitaniumweld、vimlaserweldinghashigherstrengthandhardness，lowerductilitythanthoseofbasematerials．Forthelaserweldingoftitaniumalloywitll1．8mmthickness．1aserpower1600～1800Wandweldingspeed2．7-3．6m／minwererecommendedinthethesis．Theprocessoflaserfull—penetrationweldingincludesaserialofphysicalandchemicalphenomena．Theinteractionofhighpowerlaserbeamwit}lthetargetmaterialsisacomplex，muti—dimensionalandmuff-parametersystem．Atpowerdensityoftheorderof106W／cm2typicallyusedindeeppenetrationwelding，theirradiatedsurfacebecomesmoltenandsubsequentlyvaporizesformingacavityknownaskeyholefilledwithlaser-inducedplasma．Theweldingperformanceisstronglydeterminedbythebehaviorofthelaser-inducedplasmaandthevariousenergy-absorptionmechanisms，aswellasthekeyholeandthemoltenpoolshape．Manyexpertshavestudiedthesimulationoflaserweldingprocess，butthereal-timereproductionofthe3Dtemperaturefieldisstilllimited．Now,thoughANSYS(afiniteelementanalysissoftware)becomesthefocusofthesimulationresearchwithFEM，therehasn’tareportaboutusingANSYSforsimulationoflaserweldingprocess．Thekeyproblemsofsimulatinga3Dtemperaturefieldofthelaserfull—penetrationweldingbasedontheANSYSsoftwarewerestudiedinthethesis．Usingsphere．columnthermalmodel，theANSYScodewrittenbyAPDLlanguageCansimulatethe3DII3temperaturefieldeffectively．TodealwiththedifficultyofusingANSYS．object—orienteddesignwasappliedduringthedevelopmentonANSYSsoftwarewithVC++6．0．Bythisway,notlearningthefiniteelementtheoryandANSYSsoftware，expertsoflaserweldingcanuseANSYStosimulatethelaserweldingprocesseasilyonlyinputtingparametersintothesystemthathasafriendlyinterface．Keywords：TitaniumalloylaserweldingLaserfull—penetrationwelding3DtemperaturefieldNumericalsimulationIII1绪论激光焊接由于其飞溅少、热影响区小、焊缝成形美观等优点而广泛应用于航空航天、汽车制造等材料加工及制造领域。随着激光焊接应用的增加，人们对激光焊接过程的研究也越来越重视。激光焊接过程表现出快速、复杂、多维、多参数影响等特点。许多重要数据及影响，如熔池温度及流动分布等不可能用常规方法测得，同时，由于母材具有多种热物理性能参数，还由于激光焊接的开放环境，如果没有特别的试验方法和设备便很难将某一参数分离出来研究。然而，使用有限元法进行数值模拟可以综合考虑各参数，尽管也有一些局限性，但仍能在激光焊接研究过程中发挥重要作用，节约大量成本。ANSYS是目前世界上流行的大型通用有限元软件之一，基于其自动网格划分功能，进行二次开发对于处理激光焊接数值模拟具有独特的优势，它强大的非线性分析功能可以有效地模拟激光焊接非线性过程，后处理器可以方便地将计算结果进行彩色等值、矢量图和梯度等多种直观显示。由于ANSYS的以上功能及其具有的可靠性和开放性等特点，应用该软件模拟激光焊接过程越来越引起人们的关注。但是，使用ANSYS软件进行激光焊接研究也有其不足之处，那就是对使用该软件的人员要求较高，不但应是激光焊接领域的专家而且也应对ANSYS有较深入的学习和掌握。这种要求是苛刻的，对于激光焊接领域的专家不应该也没精力花大量时间学习ANSYS。本章将简要介绍和分析钛合金的焊接以及激光穿透焊接有限元数值模拟的研究现状，进而提出本论文的主要研究内容。41．1钛合金激光焊接研究现状从60年代起，钛合金即开始用于飞机结构，到80年代，军用飞机中的钛用量己占飞机结构总重量的20％～25％，这种趋势还将续发展。我国制造的军用飞机也已经采用了钛合金。钛有“第三金属”之称，最大优点是比强度大。它具有良好的耐腐蚀性能，其耐腐蚀性优于不锈钢，但钛及钛合金在高温下对氧、氮、氢和碳等具有极大的亲合力，这给焊接带来了一定困难。常用的钛合金焊接方法有钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等。在指标要求严格的场合，飞溅和接头成形成为限制钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊应用的重要因素；而采用氩弧焊或等离子弧焊进行焊接加工，均需填充焊接材料，由于保护气氛、纯度及效果的限制，导致接头含氧量增加、强度下降、且焊后变形较大：电子束焊要求在真空中进行，因而实验条件要求苛刻。激光加工的迅速发展为钛合金的焊接提供了新的手段，激光焊接由于具有能量集中、焊缝成形好、操作简单、易于监测等优势，非常适合焊接各种厚度的钛合金材料。研究钛合金的激光焊接具有重要的实际意义。1．2激光焊接有限元数值模拟1．2．1激光焊接机理当激光光斑上的功率密度足够大时(≥106W／cm2)，金属在激光的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内升高到沸点，使金属熔化和汽化。当金属汽化时，所产生的金属蒸汽以一定的速度离开熔池，金属蒸汽的逸出对熔化的液态金属产生一个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个d'[凹@(Crater)。当凹坑底部继续被加热汽化时，所产生的金属蒸汽一方面压迫坑底液态金属使小坑进一步加深：另一方面，向坑外逸出的蒸汽将熔化的金属挤向熔池的四周。这个过程连续进行下去，便在液态金属中形成一个充满金属蒸汽的细长孔洞(VaporCapillary或kevhole)。若这个小孔穿透被焊工件并达到准稳态，这时可假定中心蒸汽通孔的形状是稳定的，这样的焊接过程即激光穿透焊接[16-20】。它是激光深熔焊的一种特殊情况，也是l=业应用中常见的一种激光焊接形式。小孔周围充满的熔化金属在激光束的连续照射下所产生的金属蒸汽及等离子体，还向工件表面空间喷发，在小孔之上，形成一定范围的等离子体云。在适当工艺措施的控制下，等离子体云能稳定于小孔开口处，发出强烈的蓝光。它本身就是一个温度极高的等离子体热源，因而通常在其邻近工件表面形成一个较大的加热熔化区(参见5图1．1)，典型激光深熔焊照片如图1-2。图l一1高温等离子体作用示意图图l一2典型激光深熔焊照片1．2．2激光穿透焊接数值模拟的研究现状由前面的分析可知，激光穿透焊接过程是一个快速、复杂、多维、多参数过程，同时发生材料的熔化、汽化及焊缝金属的凝固结晶。能量的吸收和传输，以及小孔及等离子体的产生，是影响激光焊接过程及质量的关键。模拟这样一个过程，既非常复杂，也是一种挑战。幸运的是，计算机的飞速发展，为人类模拟激光穿透焊接过程提供了强有力的手段。迄今为止，已提出了多种相关模型，包括模拟等离予体行为的模型f2-3’21‘25J；模拟小孔和熔池(焊缝)形成和形状的模型[25-32】；模拟温度场和流场的模型[33-361；模拟激光焊接工艺参数与结果的关系模型等[37-39l。概括地说，进行激光焊接模拟要研究和解决的问题是：1)制定工艺参数：在没有可靠的和可借鉴的试验结果的情形下，激