钛合金激光搭接焊及数值模拟

发布时间：2017-04-18 14:14

  本文关键词：钛合金激光搭接焊及数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【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
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TG456.7
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 钛合金的焊接性分析10-11
• 1.2 激光焊接数值模拟的研究概况11-17
• 1.3 当前存在的一些问题17-18
• 1.4 论文的主要工作18-19
• 2 TC4 钛合金搭接接头激光焊接实验19-29
• 2.1 引言19
• 2.2 实验条件和实验方法19-21
• 2.3 实验结果及分析21-28
• 2.4 本章小结28-29
• 3 钛合金搭接接头激光焊接温度场数值模拟29-48
• 3.1 激光深熔焊热传导理论概述29-32
• 3.2 温度场计算模型32-38
• 3.3 温度场模拟计算38-40
• 3.4 温度场计算结果及分析40-46
• 3.5 温度场模拟计算结果的验证46-47
• 3.6 本章小结47-48
• 4 TC4 搭接接头激光焊应力场数值模拟48-72
• 4.1 焊接应力应变理论概述48-53
• 4.2 焊接应力场的计算53-58
• 4.3 加载计算及几个重要问题58-61
• 4.4 应力场计算结果及分析61-70
• 4.5 本章小结70-72
• 5 结论与展望72-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-79
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文79

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