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TC4鈦合金的激光焊接匙孔成形和消失過程、平板焊接溫度場和圓管管件焊接熱應(yīng)力場和焊接變形進(jìn)行數(shù)值模擬分析,其研究對于弄清鈦合金薄壁件激光焊接過程溫度場、流場以及熱應(yīng)力場具有重要意義。

2、　　首先,針對激光焊接過程匙孔成形和消失過程進(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稱數(shù)值分析模型。研究結(jié)果表明,當(dāng)激光輸入量較小時,匙孔為盲孔,焊縫形狀為“碗狀”;當(dāng)激光輸入量較大時,匙孔為穿孔,工件底部熔池呈順時針流動,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0.44mm時,激光吸

3、收效率明顯增加,形成“匙孔效應(yīng)”。
　　其次,針對鈦合金平板連續(xù)焊接過程溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬,對比不同激光功率和速度下熔池尺寸和高溫停留時間。研究結(jié)果表明,采用錐狀熱源模型模擬TC4薄板熔透時的溫度場,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)焊接開始后一定時間達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài);對于板厚為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,焊接開始后0.53s