TC21鈦合金激光深熔焊應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬研究

黃道業(yè) （安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽 六安237000）

激光深熔焊是一個(gè)快速、多變的熱循環(huán)過(guò)程，由此產(chǎn)生小孔效應(yīng)。由于材料屬性及晶格參數(shù)的突變，在小孔形成的瞬間，氣液兩相的結(jié)合面上會(huì)形成極大的能量與溫度梯度。結(jié)構(gòu)焊后殘余應(yīng)力的形成，不僅影響焊接結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程，而且還影響焊接結(jié)構(gòu)的使用性能。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，找到控制大梯度殘余應(yīng)力發(fā)生的方法，對(duì)預(yù)測(cè)控制焊接應(yīng)力與變形、組織性能分析及保證焊接結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量具有重要意義［1－2］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者對(duì)激光焊接機(jī)理及激光焊接應(yīng)力場(chǎng)與力學(xué)場(chǎng)的數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了研究［3－4］，提出了描述激光深熔穿透過(guò)程的蒸汽小孔模型，而嚴(yán)格按照 “小孔”穿透機(jī)理進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析又很難適應(yīng)工程實(shí)際的需要。焊件的整體應(yīng)力分布狀態(tài)與焊接熔池邊界向周圍焊件傳遞的熱量密切相關(guān)，普通熔焊的熱源模型 （如高斯分布面熱源、雙橢球熱源模型等），并不適合模擬激光深熔焊深而窄的焊縫，因此，建立能夠模擬激光深熔焊熔池邊界的熱源模型對(duì)于實(shí)際焊件的應(yīng)力場(chǎng)分析十分必要［5］。下面，筆者根據(jù)激光深熔焊工藝分析的實(shí)際需要，以彈塑性本構(gòu)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，采用組合熱源模型與瞬態(tài)有限元方法對(duì) TC21 （Ti－6Al－2Zr－2Mo－2Sn－2Cr－0.25Si）工業(yè)鈦合金激光深熔焊接時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 數(shù)值模擬物理模型

1.1 激光深熔焊熱傳導(dǎo)控制方程

焊接過(guò)程是高度的非線性瞬態(tài)問(wèn)題，材料的熱物理性能也隨溫度劇烈變化，同時(shí)還存在熔化和相變時(shí)的潛熱現(xiàn)象。有關(guān)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的控制方程為：

式中，ρ、c和λ分別是材料的密度（kg／m3）、比熱容（J／（kg·K））和熱導(dǎo)率（w／（m·K））；Q為內(nèi)熱源強(qiáng)度，w／m3；T 為溫度，℃；t為時(shí)間，s。

1.2 彈塑性應(yīng)力－應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系

在區(qū)域Ω 中，熱過(guò)程控制方程為［6－8］：

熱流邊界條件為：

力學(xué)平衡方程為：

式中，σij為包括熱應(yīng)力項(xiàng)的應(yīng)力分量；cp為比熱系數(shù)。

式中，εTij為熱應(yīng)變張量；T0為參考溫度，℃；αij為熱膨脹系數(shù)；δij為δ算子。

應(yīng)力－應(yīng)變本構(gòu)方程為：

1.3 熱源模型

焊接熱源模型選取是否恰當(dāng)對(duì)于焊接應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)果會(huì)有很大的影響。熱源模型有很多，主要分為表面熱源模型和體積熱源模型。這些熱源模型的共同點(diǎn)是忽略在焊接熔池中的復(fù)雜過(guò)程，特別是熔化和結(jié)晶過(guò)程中的熔區(qū)移動(dòng)和借助對(duì)流和熱輻射的傳熱。對(duì)于激光深熔焊，則考慮采用表面模型和體模型的組合模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的大釘頭小釘身激光深熔焊焊縫截面，選用高斯表面熱源與三維錐體熱源疊加的組合熱源模型，是一種符合實(shí)際傳熱過(guò)程的深熔焊焊接熱源模型［9－10］。熱源方程分別為：

圖1 高斯雙橢球組合熱源模型圖

2 鈦合金激光深熔焊應(yīng)力場(chǎng)模擬

2.1 幾何模型

鈦合金激光深熔焊接T型接頭的幾何模型如圖2所示。翼板材料為TC21鈦合金，三維尺寸60mm×20mm×2.5mm，腹板60mm×12.5mm×10mm。

2.2 有限元網(wǎng)格劃分

考慮到試件模型沿著X－Z平面左右對(duì)稱，取一半進(jìn)行分析，在垂直焊縫平面上施加絕熱和對(duì)稱約束。激光深熔焊是一個(gè)應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間和空間急劇變化的過(guò)程，在不同時(shí)刻和位置，應(yīng)力應(yīng)變的分布極為不均。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(guò)渡單元 （見圖3）。

圖2 T型接頭的幾何模型圖

圖3 三維有限元網(wǎng)格模型圖

3 應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果分析

3.1 鈦合金橫向殘余應(yīng)力分布

圖4給出了焊接過(guò)程中熱源處于不同時(shí)刻的應(yīng)力場(chǎng)分布。從圖4可以看出，熱源向前移動(dòng)一段時(shí)間后，橫向 （與焊接方向垂直的焊縫橫截面）應(yīng)力場(chǎng)分布基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5所示為TC21鈦合金T型接頭激光深熔焊橫向殘余應(yīng)力分布圖。從圖5可以看出，TC21鈦合金激光深熔焊接橫向殘余應(yīng)力分布區(qū)域很窄，并且主要分布在焊縫及熔合線附近，而基體組織中基本沒(méi)有形成有影響的橫向殘余應(yīng)力。同時(shí)橫向殘余應(yīng)力峰值也比較小，尤其是對(duì)焊接接頭組織和使用性能產(chǎn)生重要影響的橫向殘余拉應(yīng)力峰值為278.499MPa，由于TC21鈦合金室溫下的屈服極限σs可達(dá)900MPa，激光深熔焊平行于焊縫方向的橫向殘余拉應(yīng)力峰值只有室溫下屈服極限σs的30%左右，說(shuō)明橫向殘余應(yīng)力對(duì)接頭組織和使用性能的影響不是很大。此外，雖然橫向殘余拉應(yīng)力峰值不是很高，但在試板的兩端卻出現(xiàn)了很大的橫向殘余壓應(yīng)力，且殘余應(yīng)力出現(xiàn)了突變，即在很短的距離內(nèi)，拉應(yīng)力峰值轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力峰值，并且出現(xiàn)較大的變形?？梢娾伜辖鸺す馍钊酆高^(guò)程，在試樣兩端會(huì)產(chǎn)生高壓應(yīng)力峰值和大梯度應(yīng)力分布狀態(tài)的出現(xiàn)。

圖4 焊件橫斷面應(yīng)力場(chǎng)變化圖

圖5 橫向殘余應(yīng)力分布圖

圖6 橫向分布瞬態(tài)應(yīng)力分布云圖

圖6所示為熱源作用瞬間的應(yīng)力分布云圖。由圖6可知，在熱源作用瞬間，位于熱源前方的區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力，峰值約為200MPa。位于熱源作用后端的焊縫及近縫區(qū)應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，且距離熱源越近的區(qū)域應(yīng)力越低。在遠(yuǎn)離熱源的冷卻部位，壓應(yīng)力逐漸增大，但壓應(yīng)力峰值并非分布在焊縫上。因此，激光深熔焊中未熔化區(qū)的固態(tài)相變是大梯度殘余應(yīng)力形成的重要因素。

3.2 焊接工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響

圖7所示為TC21鈦合金中間板沿垂直焊縫方向各點(diǎn)隨焊接速度變化的橫向殘余應(yīng)力分布圖。從圖7可以看出，隨焊接速度增大，TC21鈦合金中間板橫向殘余拉應(yīng)力峰值改變不大，且數(shù)值都較小。橫向殘余壓應(yīng)力峰值顯著增大，高橫向應(yīng)力區(qū)域更加集中在焊縫部位。

圖8所示為TC21鈦合金中間板沿垂直焊縫方向各點(diǎn)隨激光功率變化的橫向殘余應(yīng)力分布圖。

圖7 隨焊速變化的橫向殘余應(yīng)力分布圖

圖8 隨激光功率變化的橫向殘余應(yīng)力分布圖

由圖8可知，TC21鈦合金中間板橫向殘余拉應(yīng)力峰值很小，主要?dú)堄鄳?yīng)力都為壓應(yīng)力狀態(tài)，且隨激光功率增大，橫向殘余壓應(yīng)力峰值顯著減小，應(yīng)力梯度也隨之減小。由此可見通過(guò)減小激光功率來(lái)減小線能量，也可以顯著增大TC21鈦合金激光焊接橫向殘余應(yīng)力梯度。

綜上所述，焊接速度和激光功率對(duì)于橫向殘余應(yīng)力都有影響，但激光功率對(duì)于橫向殘余應(yīng)力峰值的影響更明顯一些，而焊接速度對(duì)于橫向殘余應(yīng)力梯度的影響則更大一些?？偟膩?lái)說(shuō)，如果調(diào)整激光焊接橫向殘余應(yīng)力梯度，通過(guò)改變焊速的方法比調(diào)整激光功率要好。

圖9 模擬熔池邊界與焊縫熔合線對(duì)比圖

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上模擬結(jié)果，選擇激光功率2.5kW、焊 接 速 度 1.67mm／s、 焦 點(diǎn) 直 徑0.6mm、離焦量1.5mm進(jìn)行焊接。圖9所示為模擬熔池邊界與焊縫熔合線對(duì)比圖。從圖9可以看出，焊縫形狀為典型的 “釘子”型，且焊接熱影響區(qū)很窄，焊縫熔合線與計(jì)算模擬的焊接熔池形貌結(jié)果相似。因此，可以認(rèn)為利用面熱源與峰值熱流遞增型旋轉(zhuǎn)體熱源的組合熱源形式模擬激光深熔焊接應(yīng)力場(chǎng)是合理的。

4 結(jié) 論

（1）在組合熱源模型中，TC21鈦合金激光深熔焊高橫向殘余應(yīng)力區(qū)域分布很窄，峰值較小。但在試板兩端會(huì)產(chǎn)生很高的殘余應(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)。

（2）熱源作用瞬間，位于已冷卻區(qū)域產(chǎn)生壓縮塑性應(yīng)變，未受熱部位雖有一定峰值的拉應(yīng)力分布，但并未形成拉伸塑性應(yīng)變。因此，焊接中的熔凝作用對(duì)殘余應(yīng)力梯度的形成影響不大，未熔化區(qū)的固態(tài)相變是影響激光深熔焊大梯度殘余應(yīng)力形成的重要因素。

（3）焊接速度和激光功率對(duì)于橫向殘余應(yīng)力都有影響。焊接速度對(duì)TC21鈦合金橫向殘余應(yīng)力峰值的影響較小，激光功率對(duì)于橫向殘余應(yīng)力峰值的影響更明顯一些。焊接速度對(duì)于橫向殘余應(yīng)力梯度的影響較大，激光功率對(duì)于橫向殘余應(yīng)力梯度的影響較小。隨激光功率增大，橫向殘余壓應(yīng)力峰值顯著減小，應(yīng)力梯度也隨之減小。

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