激光－TIG復(fù)合焊接溫度場和應(yīng)力場的有限元分析

趙宇宏 ，歐陽自鵬 ，胡佩佩 ，李國鈞，趙 峰

（1.總裝備部南京軍事代表局駐上海地區(qū)軍事代表室，上海 201109；2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600；3.中國人民解放軍駐上海無線電設(shè)備研究所軍事代表室，上海 200233）

0 引言

激光－TIG復(fù)合焊接時(shí)激光束和TIG焊接兩種熱源同時(shí)作用于工件同一位置，使入射激光束的反射率顯著降低，TIG電弧更為穩(wěn)定和集中，是相互彌補(bǔ)各自不足的一種高效焊接方法。在激光－電弧復(fù)合焊接中，一方面激光對電弧有極大的增強(qiáng)作用，激光在熔池上方形成的等離子體可為電弧提供導(dǎo)電通路，該導(dǎo)電通路能吸收并壓縮電弧，有效減少電弧飄逸，大幅提升能源利用率，增加熔深，利于穩(wěn)??；另一方面位于激光束前方的電弧對金屬有一定的預(yù)熱作用，能降低金屬對激光的反射，提高金屬對激光的吸收利用［1－3］。

采用數(shù)值仿真技術(shù)對焊接中的熱過程和殘余應(yīng)力變形進(jìn)行預(yù)測是一種簡單高效的研究辦法，但目前國內(nèi)外關(guān)于激光－電弧復(fù)合焊接的傳熱數(shù)值仿真研究還較少。陳彥賓等建立了激光－TIG復(fù)合焊接熱源模型，用點(diǎn)、線組合熱源模擬激光束的加熱作用，以面熱源模擬TIG焊接熱源研究了復(fù)合焊接的熱效率，結(jié)果表明復(fù)合焊接的熱效率并非兩種熱源的單純疊加［4－5］。文獻(xiàn)［6、7］對鎂合金AZ31B的激光復(fù)合熱源焊接溫度場、焊縫斷面形狀數(shù)值模擬進(jìn)行了研究，結(jié)果證實(shí)了復(fù)合熱源焊接高速、能量增強(qiáng)和熱影響區(qū)窄等特點(diǎn)。上述研究采用組合熱源的方式模擬復(fù)合焊接時(shí)的熱輸入，實(shí)際上TIG焊接本身作用區(qū)域較大，面熱源并不能完全反映焊接過程中的熱作用。對激光深熔焊來說，為模擬“釘頭狀”焊縫，應(yīng)采用與激光加熱模式較接近并廣泛使用的旋轉(zhuǎn)高斯曲面體和深度方向上線性衰減等熱源模型［8－9］。

本文用旋轉(zhuǎn)高斯曲面體模擬激光束的加熱作用、雙橢球熱源模擬TIG焊接熱源，對兩種熱源單獨(dú)作用和共同作用下的溫度場進(jìn)行了仿真模擬，并驗(yàn)證了不同熱源間距條件下TC4復(fù)合焊接工藝試驗(yàn)計(jì)算模型的正確性。

1 激光－TIG復(fù)合焊接模型

1.1 激光－TIG復(fù)合焊接熱源模型

考慮激光深熔焊接的匙孔效應(yīng)，用旋轉(zhuǎn)高斯曲面體熱源模型模擬激光束的加熱作用，其實(shí)質(zhì)是一系列平面高斯熱源沿焊件厚度方向疊加，而每個(gè)截面上的熱流分布半徑呈指數(shù)衰減，熱流密度在Z軸（激光束中心線）上保持不變［8］。即

式中：q（x，y，z）為點(diǎn)（x，y，z）處的熱流密度值；H0為體熱源的高度；Q1為激光束有效功率；cs為熱源形狀集中系數(shù)，且cs＝3／（R0）2。此處：R0為熱源的最大開口半徑。

TIG焊接過程中，熔池形態(tài)近似于前后不對稱的橢球狀。與熱源后半部相比，熱源前半部的能量較集中，溫度梯度較大，溫度分布區(qū)間較小。因此，本文用兩個(gè)半軸不同的1／4橢球模型模擬焊接熔池內(nèi)部的熱流分布。

1.2 材料物理性能參數(shù)

金屬材料的物理性能參數(shù)都隨溫度呈非線性變化，而焊接過程中材料溫度變化非常劇烈。本文研究的材料為TC4，設(shè)材料為各向同性，密度ρ＝4.45g／cm3，物理性能參數(shù)見表1、2。對高溫性能的參數(shù)，采用外推法或?qū)⒏邷匦阅軈?shù)設(shè)置為已知最高溫度的性能值。

1.3 激光－TIG焊接物理模型

研究對象為TC4鈦合金平板對焊，試板尺寸50mm×40mm×3mm。因焊接過程中加熱極不均勻，在焊縫處溫度梯度變化很大，故在焊縫及其附近部分采用加密網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域采用相對稀疏的單元網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分如圖1所示，單元總數(shù)16 896，節(jié)點(diǎn)數(shù)19 503。因網(wǎng)格數(shù)較多，采用手工過渡以獲得質(zhì)量較好的六面體網(wǎng)格。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定激光功率為2.5kW，取TIG焊接功率3.0kW；一般激光深熔焊接的熱效率大于0.8，本文取0.8；TIG焊接的熱效率為0.68～0.85，本文取0.7；激光－TIG復(fù)合焊接速度v＝1.5m／min。計(jì)算模型是在MSC.MARC計(jì)算平臺上實(shí)現(xiàn)，該軟件內(nèi)置雙橢球熱源模型，另外采用用戶子程序FLUX的格式，實(shí)現(xiàn)對高斯旋轉(zhuǎn)曲面體熱源的加載和控制。

表1 TC4的機(jī)械性能參數(shù)Tab.1 Mechanical property parameters of TC4alloy

表2 TC4的熱物理性能參數(shù)Tab.2 Thermal property parameters of TC4alloy

圖1 平板焊接模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Gird of plate wedding model

1.4 初始條件與邊界條件

令整個(gè)模型初始溫度為室溫20℃。用總換熱系數(shù)模擬對流和輻射換熱。為模擬自由焊接時(shí)的殘余應(yīng)力和變形，并保證模型不發(fā)生剛性位移，在焊接起始位置的節(jié)點(diǎn)O上施加X，Y，Z三個(gè)方向的約束，同時(shí)約束焊縫中心對稱截面上的X向和焊縫兩端的Z方向，使之不轉(zhuǎn)動。

2 結(jié)果及分析

2.1 TC4鈦合金不同焊接方式比較

用本文建立的模型，對TC4鈦合金激光焊、TIG焊、激光－TIG焊溫度場分布進(jìn)行計(jì)算，并采集了不同熱源作用下焊縫上表面的熱循環(huán)曲線，其溫度場分布如圖2所示，焊縫上表面的熱循環(huán)如圖3所示。

圖2 TC4鈦合金焊接溫度場分布Fig.2 Temperature field distribution of TC4alloy wedding

由計(jì)算結(jié)果可知：TIG焊單獨(dú)焊接時(shí)，工件的最高溫度約2 800℃，超過了TC4的熔點(diǎn)（約1 650℃），形成橢球狀熔池，但其熔深較小，并不能完全使工件焊透；激光束作用下，工件的最高溫度可達(dá)3 400℃，超過了鈦合金的沸點(diǎn)（約3 200℃），形成匙孔。熔寬及熱影響區(qū)均小于TIG焊接，且焊縫的深寬比較大；在激光束和TIG電弧的共同作用下，材料的大部分溫度處于熔點(diǎn)和沸點(diǎn)以上，表明焊接熱效率明顯增加?？蛇m當(dāng)提高焊接速度，實(shí)現(xiàn)高速焊接。復(fù)合焊接形成的匙孔尺寸大于單獨(dú)激光焊接，這是因?yàn)門IG電弧加熱并融化金屬表面，增加了激光焊接用于形成匙孔的能量。

2.2 TC4鈦合金復(fù)合焊接殘余應(yīng)力模擬

通過有限元軟件采用熱機(jī)耦合方法對TIG焊、激光焊、激光－TIG復(fù)合焊接過程中工件的殘余應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬。激光－TIG復(fù)合焊接冷卻結(jié)束后工件殘余應(yīng)力場分布如圖4所示，三種不同焊接方法工件縱向殘余應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖3 TC4鈦合金激光焊、TIG焊、激光－TIG焊焊縫上表面熱循環(huán)Fig.3 Thermal cycle of up－surface of laser welding，TIG welding and laser－TIG hybrid welding

圖4 冷卻結(jié)束后工件殘余應(yīng)力場分布Fig.4 Residual stress field distribution in part after cooling

圖5 不同焊接方式下工件縱向殘余應(yīng)力分布Fig.5 Longitudinal residual stress field distribution of various weddings

由圖4可知：焊接冷卻結(jié)束后，焊接起始和結(jié)束處的殘余應(yīng)力最大，且均以拉應(yīng)力為主。由圖5可知：鈦合金三種不同焊接方法的焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律相似，焊接殘余應(yīng)力均以縱向殘余應(yīng)力為主。在熱影響區(qū)，三種焊接方法的殘余應(yīng)力分布接近，在焊縫及其熔合線上，均為焊縫冷卻收縮引起的拉伸應(yīng)力，但激光焊接殘余應(yīng)力的拉伸應(yīng)力最大，為617MPa，拉伸區(qū)域分布最窄；激光－TIG復(fù)合焊接的拉伸應(yīng)力峰值最小，約462 MPa，其拉伸區(qū)域分布寬度最大。研究證實(shí)，對鈦合金的高能束焊接（激光焊接和電子束焊接），焊縫及近縫區(qū)的殘余應(yīng)力并不低于傳統(tǒng)熔化焊方法［10］。這是因?yàn)椋菏紫群附託堄鄳?yīng)力是工件內(nèi)部由受熱不均產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力在同一構(gòu)件中相互平衡，但由于激光焊接的拉應(yīng)力區(qū)域是以上三種焊接方法中最窄的，而壓應(yīng)力分布區(qū)間與TIG焊接相當(dāng)，故僅當(dāng)縱向殘余應(yīng)力的峰值高于TIG焊時(shí)才可能保持結(jié)構(gòu)平衡。其次，激光焊接的塑性變形區(qū)域窄，塑性區(qū)越窄，殘余應(yīng)力峰值就越高［11］。拉伸塑性應(yīng)變最大值在熔合線處，此處的殘余拉應(yīng)力也最大。

2.3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

用與計(jì)算過程相同的工藝參數(shù)對厚度3mm的TC4鈦合金板進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，用小孔釋放法測試焊接工件的殘余應(yīng)力。焊接變形的有限元分析結(jié)果如圖6所示，TC4鈦合金激光焊接殘余應(yīng)力的測試值與有限元分析結(jié)果如圖7所示。

圖6 冷卻結(jié)束后工件變形Fig.6 Part deformation after cooling

圖7 冷卻結(jié)束后工件殘余應(yīng)力沿焊縫橫截面分布Fig.7 Residual stress field distribution along intersecting surface in part after cooling

結(jié)果表明：自由焊接時(shí)，工件發(fā)生較明顯的橫向和縱向收縮變形，焊接中心位置處尤為明顯；應(yīng)力的測試值與有限元分析結(jié)果吻合較好。存在的誤差，分析后認(rèn)為主要是計(jì)算條件限制導(dǎo)致的計(jì)算精度與實(shí)驗(yàn)誤差，另外計(jì)算模型中采用的約束邊界條件與實(shí)際焊接及冷卻過程中的約束存在差異。

3 結(jié)論

本文對激光－TIG復(fù)合焊接溫度場和應(yīng)力場的有限元分析進(jìn)行了研究。建立了激光－等離子弧復(fù)合焊接有限元模型，比較了激光焊、TIG焊接、激光－TIG復(fù)合焊接的熔池形狀和熱循環(huán)過程，發(fā)現(xiàn)激光－TIG復(fù)合焊接能提高熱源利用效率，有最大的熔寬和熔深；TC4鈦合金激光焊接在焊縫和熔合線附近產(chǎn)生高縱向殘余應(yīng)力，而橫向殘余應(yīng)力很小，焊接起始與結(jié)束位置的殘余應(yīng)力最大；TC4鈦合金激光焊接和TIG焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律相似，激光－TIG復(fù)合焊接焊縫上的殘余應(yīng)力峰值較小，約為460MPa，但其分布其較寬。

［1］張寰臻，吳世凱，肖榮詩.TIG電弧對高功率CO2激光光束特性的影響［J］.焊接學(xué)報(bào)，2009，30（7）：29－32.

［2］張紹彬，趙家瑞.焊接電弧與激光相互作用機(jī)理的研究［J］.焊接技術(shù)，1991，28（4）：6－8.

［3］郭院波，單 平，胡繩蓀.激光－電弧復(fù)合熱源［J］.電焊機(jī)，2003，33（6）：1－3.

［4］苗玉剛.鋁合金激光－TIG雙面焊接特性與能量作用機(jī)制研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

［5］陳彥賓，李俐群，方俊飛，等.Temperature field simulation of laser－TIG hybrid welding［J］.China Welding，2003，11（1）：64－68.

［6］黃瑞生，劉黎明，遲鳴聲.鎂合金激光－TIG焊接溫度場的紅外測量與數(shù)值模擬［J］.焊接學(xué)報(bào)，2006，27（10）：89－93.

［7］劉黎明，遲鳴聲，宋 剛，等.鎂合金激光－TIG復(fù)合熱源焊接熱源模型的建立及其數(shù)值模擬［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42（2）：82－86.

［8］吳 甦，趙海燕，王 煜，等.高能束焊接數(shù)值模擬中的新型熱源模型［J］.焊接學(xué)報(bào)，2004，25（1）：91－94.

［9］武傳松.焊接熱過程與熔池形態(tài)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［10］劉 敏，陳士煊，陳 勇，等.鈦合金電子束焊接應(yīng)力分析的有限元模型［J］.焊接學(xué)報(bào)，2004，25（6）：62－65.

［11］中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992：64.