钛合金激光搭接焊及数值模拟

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1、华中科技大学硕士学位论文摘要本文主要进行了TC4钛合金的搭接接头激光焊接实验研究,并进行了搭接接头激光焊热效应的有限元数值模拟。在搭接接头的激光焊实验中,分析了熔池的深度、表面宽度和结合面宽度随焊接工艺参数的变化的规律，并分析了接头微观组织特征，同时分析了接头区域的显微硬度及性能，采用应力释放法测量了焊接接头的纵向残余应力分布。本文采用商用有限元程序ANSYS对激光焊接热效应进行了模拟。模拟工作主要由两步组成：首先进行了一个非线性瞬态热传导过程分析，得到了搭接焊接头的温度场分布；然后在温度场的基础上，进行了一个准稳态的热弹塑性力学分析，得到焊件上的

2、残余应力分布。激光深熔焊传热的本质特征是小孔传热，并针对钛合金薄板焊接，建立了一个新的组合热源来模拟小孔传热，这个组合热源的上部是一个双椭球热源，下部是一个高斯圆柱热源。有限元模型中考虑了移动热源、对流辐射、相变潜热和随温度变化的材料热物理性能。如穿透焊接情况下，热源特征参数为：两热源的有效高度h1＝h2＝1.6mm、功率分配系数为3：2，小孔横向半径为0.8mm时，通过对比各焊接工艺条件下熔池的表面宽度、搭接面宽度和熔深，模拟结果和实验测得值相差约10％，这样验证了该热源模型合适钛合金的激光焊接温度场模拟。在温度场模拟的基础上，计算获得了搭接接头

3、上的三维应力分布图，分析了激光焊工艺参数对残余应力的影响，与理论分析基本一致。模拟结果表明：（a）焊后残余应力的分布有着很明显的边界效应，即焊接终了前存在一个低应力区，在焊缝终端残余应力出现较大波动；（b）激光线能量相当时，焊透状况下的残余应力比未焊透情况残余应力要大很多；（c）焊透状况下，即使激光功率相同，焊接速度越大，焊缝中心的残余应力越大，即残余应力对焊接速度很敏感，而对激光功率不敏感。在激光功率为1500W，焊速为2.0m/min时，通过对比模拟得到和实验测得的接头中部的纵向残余应力分布，两者趋势一致，残余应力方向转变的位置成比例相似，从而

4、验证了模型的可靠性。关键词：激光焊接数值模拟TC4钛合金温度场残余应力I华中科技大学硕士学位论文AbstractInthisdissertation,ExperimentsandSimulationsofthelaserweldingprocessforlap-jointsusingfiniteelementanalyseswerepresented,ThematerialistitaniumalloyTC4.Intheexperimentsofthelap-jointlaserwelding,regularitybetweenlaserweldi

5、ngparametersandthegeometrysizeoftheweld-pooldepthandbeadwidthwasinvestigated.Microstructureandmicrohardnessofthejointswereanalyzed,andlongitudinalresidualstressinthejointwasmeasuredwiththemethodofstressrelease.ThelaserweldingprocessweresimulatedusingcommercialFiniteElementMeth

6、od(FEM)programANSYS.Thesimulationswerecarriedoutusingatwo-stepprocess:firstthedynamictemperaturedistributionthroughouttheweldseamandtheplateswasobtainedbyanon-lineartransientheattransferanalysis,thenfollowedbyaseparatequasi-steadystatemechanicalanalysisbasedonthethermalhistory

7、,wherethemechanicalprocesswasconsideredasthermo-elasto-plastic.Deeplaserpenetrationweldingwascharacterizedbytheheattransferofthekeyhole.theheattransfersofkeyholewassimulatedbyanewcombinedheatsourcemodel,whichconsistsofaGoldakdoubleellipsoidheatsourcewhichintheaboveandaGaussdis

8、tributecolumnheatsourceinthebelow.Inthefiniteelementmodel,the