关于钛合金激光焊接工艺研究及激光穿透焊温度场数值模拟讲解.docx
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关于钛合金激光焊接工艺研究及激光穿透焊温度场数值模拟讲解
钛合金激光焊接工艺研究及激光穿透焊温度场数值模拟
摘要
钛及钛合金因其比强度大和优良的耐酸腐蚀性能，在各行各业中得到越来越广泛的应用。
激光焊接由于具有能量集中、焊缝成形好、操作简单、易于监测等优点，非常适合焊接钛合金材料。
论文通过激光焊接试验表明钛合金激光焊接的主要缺陷是气孔，空气中的氧气、氮气和工件表面的水分是造成气孔的主要原因。
钛合金激光焊接焊缝强度、硬度提高，塑性、弯曲性能下降。
对1．8mm厚P20型钛合金板激光拼焊推荐工艺参数为激光功率1600～1800W，焊接速度2．7～3．6ndmin。
激光穿透焊接过程包含着一系列复杂的物理、化学反应现象，表现出快速、复杂、多维、多参数影响等特点。
激光与材料相互作用时，因聚焦激光束功率密度高（通常高达10。
W／cm2以上），被焊材料在极短时间内熔化、汽化乃至蒸发，从而形成小孔，并出现激光诱导的等离子体。
在激光焊接过程中，光致等离子体、小孔以及熔池的行为决定了焊缝成形以及焊接质量。
对激光焊接的模拟尽管前人已经作了大量的研究，但是对激光穿透焊接三维温度场的实时再现仍存在一定的局限。
目前，虽然ANSYS（一种大型有限元软件）正在成为有限元模拟领域研究的热点，但国内外还未见将其应用在激光焊接过程数值模拟的相关报道。
论文探讨了基于ANSYS软件进行激光穿透焊接三维温度场数值模拟的若干关键问题。
论文采用球状热源和柱状热源相结合的双热源模型，用APDL语言开发的ANSYS计算程序，能有效地对激光穿透焊接过程三维温度场变化情况进行模拟。
论文还针对使用ANSYS软件要求较高的特点，采用面向对象程序设计的方法进行二次开发，在VC++6．0开发环境下将其封装。
这样，通过其友好的人机界面，激光焊接专家只需输入激光穿透焊接工艺参数即可自动调用ANSYS模块进行后台计算，而勿需专门学习有限元理论和ANSYS软件，方便了用户的使用。
关键词：
钛合金激光弹接激光穿逸焊三维温度场数宿模拟
ABSTRACT
Withtheadvantagesofhighstrength—to—weightrmio，excellentcorrosionsresistance，
titaniumandtitaniumalloyhavebeenappliedmoreandmorewidelyinmanyfields．The
laserweldingissuitableforthetitaniumandtitaniumalloybecauseofitsllighpower
density,goodweldingperformance，andeasyinspection．
Basedonexperimentsoftitaniumlaserwelding，theresultshowsporesareacomnqon
defectintheweldforlaserweldingoftitaniumalloys．The02，N2intheairandtheH20
absorbedOnthesurfaceoftheworkpiecearethemainresourceofthesepores．The
titaniumweld、vimlaserweldinghashigherstrengthandhardness，lowerductilitythan
thoseofbasematerials．Forthelaserweldingoftitaniumalloywitll1．8mmthickness．1aser
power1600～1800Wandweldingspeed2．7-3．6m／minwererecommendedinthethesis．
Theprocessoflaserfull—penetrationweldingincludesaserialofphysicalandchemicalphenomena．Theinteractionofhighpowerlaserbeamwit}lthetargetmaterialsis
acomplex，muti—dimensionalandmuff-parametersystem．Atpowerdensityoftheorderof
106W／cm2typicallyusedindeeppenetrationwelding，theirradiatedsurfacebecomes
moltenandsubsequentlyvaporizesformingacavityknownaskeyholefilledwithlaser-inducedplasma．Theweldingperformanceisstronglydeterminedbythebehaviorofthelaser-inducedplasmaandthevariousenergy-absorptionmechanisms，aswellasthekeyholeandthemoltenpoolshape．Manyexpertshavestudiedthesimulationoflaserweldingprocess，butthereal-timereproductionofthe3Dtemperaturefieldisstilllimited．
Now,thoughANSYS（afiniteelementanalysissoftware）becomesthefocusofthe
simulationresearchwithFEM，therehasn’tareportaboutusingANSYSforsimulationof
laserweldingprocess．
Thekeyproblemsofsimulatinga3Dtemperaturefieldofthelaserfull—penetration
weldingbasedontheANSYSsoftwarewerestudiedinthethesis．Usingsphere．column
thermalmodel，theANSYScodewrittenbyAPDLlanguageCansimulatethe3D
II
temperaturefieldeffectively．TodealwiththedifficultyofusingANSYS．object—oriented
designwasappliedduringthedevelopmentonANSYSsoftwarewithVC++6．0．Bythis
way,notlearningthefiniteelementtheoryandANSYSsoftware，expertsoflaserwelding
canuseANSYStosimulatethelaserweldingprocesseasilyonlyinputtingparametersinto
thesystemthathasafriendlyinterface．
Keywords：
TitaniumalloylaserweldingLaserfull—penetrationwelding
3DtemperaturefieldNumericalsimulation
III
1绪论
激光焊接由于其飞溅少、热影响区小、焊缝成形美观等优点而广泛应用于航空航
天、汽车制造等材料加工及制造领域。
随着激光焊接应用的增加，人们对激光焊接
过程的研究也越来越重视。
激光焊接过程表现出快速、复杂、多维、多参数影响等特点。
许多重要数据及影
响，如熔池温度及流动分布等不可能用常规方法测得，同时，由于母材具有多种热物
理性能参数，还由于激光焊接的开放环境，如果没有特别的试验方法和设备便很难将
某一参数分离出来研究。
然而，使用有限元法进行数值模拟可以综合考虑各参数，尽
管也有一些局限性，但仍能在激光焊接研究过程中发挥重要作用，节约大量成本。
ANSYS是目前世界上流行的大型通用有限元软件之一，基于其自动网格划分功
能，进行二次开发对于处理激光焊接数值模拟具有独特的优势，它强大的非线性分析
功能可以有效地模拟激光焊接非线性过程，后处理器可以方便地将计算结果进行彩色
等值、矢量图和梯度等多种直观显示。
由于ANSYS的以上功能及其具有的可靠性
和开放性等特点，应用该软件模拟激光焊接过程越来越引起人们的关注。
但是，使用
ANSYS软件进行激光焊接研究也有其不足之处，那就是对使用该软件的人员要求较
高，不但应是激光焊接领域的专家而且也应对ANSYS有较深入的学习和掌握。
这种
要求是苛刻的，对于激光焊接领域的专家不应该也没精力花大量时间学习ANSYS。
本章将简要介绍和分析钛合金的焊接以及激光穿透焊接有限元数值模拟的研究现
状，进而提出本论文的主要研究内容。
1．1钛合金激光焊接研究现状
从60年代起，钛合金即开始用于飞机结构，到80年代，军用飞机中的钛用量己占飞机结构总重量的20％～25％，这种趋势还将续发展。
我国制造的军用飞机也已经采用了钛合金。
钛有“第三金属”之称，最大优点是比强度大。
它具有良好的耐腐蚀性能，其耐腐蚀性优于不锈钢，但钛及钛合金在高温下对氧、氮、氢和碳等具有极大的亲合力，这给焊接带来了一定困难。
常用的钛合金焊接方法有钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等。
在指标要求严格的场合，飞溅和接头成形成为限制钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊应用的重要因素；而采用氩弧焊或等离子弧焊进行焊接加工，均需填充焊接材料，由于保护气氛、纯度及效果的限制，导致接头含氧量增加、强度下降、且焊后变形较大：
电子束焊要求在真空中进行，因而实验条件要求苛刻。
激光加工的迅速发展为钛合金的焊接提供了新的手段，激光焊接由于具有能量集中、焊缝成形好、操作简单、易于监测等优势，非常适合焊接各种厚度的钛合金材料。
研究钛合金的激光焊接具有重要的实际意义。
1．2激光焊接有限元数值模拟
1．2．1激光焊接机理
当激光光斑上的功率密度足够大时（≥106W／cm2），金属在激光的照射下被迅速
加热，其表面温度在极短的时间内升高到沸点，使金属熔化和汽化。
当金属汽化时，
所产生的金属蒸汽以一定的速度离开熔池，金属蒸汽的逸出对熔化的液态金属产生一
个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个d'[凹@（Crater）。
当凹
坑底部继续被加热汽化时，所产生的金属蒸汽一方面压迫坑底液态金属使小坑进一步
加深：
另一方面，向坑外逸出的蒸汽将熔化的金属挤向熔池的四周。
这个过程连续进
行下去，便在液态金属中形成一个充满金属蒸汽的细长孔洞（VaporCapillary或kev
hole）。
若这个小孔穿透被焊工件并达到准稳态，这时可假定中心蒸汽通孔的形状是稳
定的，这样的焊接过程即激光穿透焊接[16-20】。
它是激光深熔焊的一种特殊情况，也是
l=业应用中常见的一种激光焊接形式。
小孔周围充满的熔化金属在激光束的连续照射下所产生的金属蒸汽及等离子体，
还向工件表面空间喷发，在小孔之上，形成一定范围的等离子体云。
在适当工艺措施
的控制下，等离子体云能稳定于小孔开口处，发出强烈的蓝光。
它本身就是一个温度
极高的等离子体热源，因而通常在其邻近工件表面形成一个较大的加热熔化区（参见
图1．1），典型激光深熔焊照片如图1-2。
图l一1高温等离子体作用示意图
图l一2典型激光深熔焊照片
1．2．2激光穿透焊接数值模拟的研究现状
由前面的分析可知，激光穿透焊接过程是一个快速、复杂、多维、多参数过程，
同时发生材料的熔化、汽化及焊缝金属的凝固结晶。
能量的吸收和传输，以及小孔及
等离子体的产生，是影响激光焊接过程及质量的关键。
模拟这样一个过程，既非常复
杂，也是一种挑战。
幸运的是，计算机的飞速发展，为人类模拟激光穿透焊接过程提
供了强有力的手段。
迄今为止，已提出了多种相关模型，包括模拟等离予体行为的模
型f2-3’21‘25J；模拟小孔和熔池（焊缝）形成和形状的模型[25-32】；模拟温度场和流场的模型
[33-361；模拟激光焊接工艺参数与结果的关系模型等[37-39l。
概括地说，进行激光焊接模拟要研究和解决的问题是：
1）制定工艺参数：
在没有可靠的和可借鉴的试验结果的情形下，激光焊接需用
f|么工艺条件。
2）优化工艺参数：
研究改变某一参数对其他值的影响；或者，研究不同材料性
能对激光焊接过程的影响。
3）与冷却过程相关的问题：
研究影响接头（产品）质量的因素，例如，温度梯度、
冷却速率、在某一温度下停留时间及其他因素对结晶组织的影响等。
4）产生的问题：
研究焊接过程中产生的一些特殊现象和问题，如裂纹或气孔产
生的原因。
5）理论问题：
某些特殊现象如光致等离子体对焊接过程的影响。
所有这些问题都直接或间接与激光焊接的热过程紧密相关，因此，对于激光焊接
温度场的准确模拟是至关重要的。
在这一领域的先驱们进行了大量而深入的研究。
继Swift401等人建立适用于薄板焊接的线热源模型之后，Chandef41】等修正了文献【42】
中的有限差分热传导模型，在研究中除dqL、表面对流、辐射热散失外还考虑到变热
物性，给出了移动热源下物质与激光相互作用的三维热传导模型。
Dowden等‘43-441在
一系列论文中通过使用二维近似、流线函数及考虑熔池流动、熔池温度分布等因素建
苞了激光焊的熔池模型，用于计算全熔透小孔和盲孔的尺寸及轮廓。
Goldak[451等发展
r具有分布式热输入温度场的有限元模型，这对研究高能束焊接是有益的。
lchikolchiko等㈨通过变动双椭圆体热源中的参数对Mazumder等【421的三维激光焊模
型作了改进，以解决任意高能柬热源下的温度分布阀题。
Wei等【47l给出用于计算抛物
曲面回转体熔池周围温度场的新的三维解析表达式，消除了以往模型中不考虑熔池中
的流动、对流作用、垂直线热源方向的热传导及动量平衡的缺陷。
Wei[48】还提出了新
的解析温度场模型，并给出了一个点热源表达式来修正线热源，使强度与位置相关，
克服了早期模型的缺陷。
Lampa，Kaplan／491改进了Kaplan[501早期的移动线热源模型，
考虑了热毛细流动引起的焊缝加宽。
徐九华等【51l以伴随有小孔效应产生的高能量密度
束焊接过程为研究对象，建立了运动热源作用下二维小孔焊接中流体流动及传热过程
的数学模型。
国内梅汉华博士（1997年）f52】提出了dqL和焊缝成形的数学模型。
该
模型考虑了激光束空间几何形状和能量密度空间分布状态，定量分析了激光束质量因
子、导光系统和聚焦系统的光学参数及离焦量对小孔和焊缝成形的影响，基于能量守
恒和热传导定律而得到模型。
该模型涉及的因素较多，但有过多的假设，使其精确性
受到一定的影响。
可见，随着激光焊接这一新型材料）jn-r方法的应用得到不断推广，国内外的众多
专家学者对其作了大量而深入的研究，建立了各种各样的模型，每一模型都不同程度
地解决了某一方面或某几方面的问题。
但是，对于激光焊接三维温度场如何用计算机
模拟的方法让其有效、准确、直观地显示出来还是这一领域的难题，也正成为人们研
究的热点。
1．3ANSY在激光焊接过程有限元分析中的应用
激光焊接温度场的模拟，目前较为成熟的且应用最广的是FEA（FiniteElement
Analysis）技术，而典型的程序软件是功能强大的ANSYS系统。
ANSYS系统汇集了集
中式数据库（Database）技术，前、后处理（Prep7，PostlandPost26）技术、优化设计技术
和ASClI文件格式以及先进的数据接口技术等。
它可在一个连续的、相互协作的工程
设计中，分析用于整个产品开发过程。
其分析模拟工具易于使用，能支持多种平台，
并在异种异构平台上百分之百的兼容，提供了多场耦合的分析功能。
ANSYS的系统
结构如图1．3所示。
图1-3ANSYS系统结构
运用计算机模拟技术，对激光焊接热过程进行分析，可有效地指导正确的制定或
选择焊接条件。
由于ANSYS程序功能强大．涉及范围广，并且它有友好的图形界面
fGUI），有利于将其应用到激光焊接过程的有限元模拟中。
1．4课题研究的意义及主要内容
如上所述，钛合金在国防工业和航空工业正得到日益广泛的应用，氩弧焊和电子
求焊是焊接钛合金的传统方法，但随着激光焊接技术的不断进步以及激光焊接相对其
它焊接方法的特有优点，钛合金激光焊接正成为发展趋势。
这就迫切要求对钛合金的
激光焊接工艺进行研究，对焊接过程进行控制，对焊接缺陷进行分析。
这些问题的研
究有利予指导钛合金的实际应用。
人们已经对激光穿透焊接过程中的各种现象进行了大量研究，从不同角度的激光
焊接时的光致等离子体、小孔和熔池进行了分析和模拟。
这些研究增加了人们对激光
穿透焊接过程物理本质的理解，但由于激光焊接过程的复杂性，以及计算机技术的局
限性，上述种种模拟对激光焊接过程温度场尤其是三维温度场的实时再现仍存在一定
的局限，对实际生产的指导意义不是很强，因此对激光穿透焊接三维温度场有限元模
拟有必要进一步研究。
大型有限元软件ANSYS为我们进行各种有限元模拟提供了方
便，但对于激光焊接这一特殊领域还需要解决若干关键问题。
同时，虽然ANSYS进
行激光焊接有限元模拟功能强大，但对它的使用人员素质要求较高．需要深入了解有
限元原理和ANSYS的APDL语言。
这正是ANSYS在激光焊接领域没有得到足够应用
的原因，根据目前国内外公开发表的论文来看，还没有用ANSYS软件进行激光焊接过
程有限元模拟的相关报道。
因而探讨基于ANSYS对激光焊接过程进行有限元模拟的若
F关键问题并使用ANSYS和VC++6．0进行二次开发，使其具有更好的人机交互性和
专用性，让对ANSYS和有限元比较陌生的焊接专家也能很好地使用他们进行有限元
模拟具有很重要的实际意义。
本文的主要研究内容如下：
1）钛合会的激光焊接进行研究，分析钛合会激光焊接的主要缺陷及其原因，探
讨激光焊接钛合金的工艺要点和工艺规范参数，为实际钛合金激光焊接提供参考。
2）基于ANSYS对激光穿透焊接进行三维温度场有限元模拟，研究利用ANSYS
模拟激光穿透焊接三维温度场的一些关键性问题。
论文由于没能查到钛合金的高温热
物理性能参数，以普通低碳钢为例进行计算和结果分析。
3）于vc++6．0、ANSYS进行二次开发，采用面向对象的编程方法对ANSYS
计算模块进行封装，提供友好的人机交互环境。
=========================================================；=================
2钛合金薄板激光焊接工艺研究
通常情况下，钛及其合金具有良好的焊接性能，但必须排除活性气体（包括空气中
的氧、氮及水分等）的污染，并保持工件的清洁。
焊接接头的性能在很大程度上受到焊
接工艺的影响。
2．1钛合金焊接性分析
钛和钛合金的焊接性取决于它的物理化学性能。
钛是一种非常活泼的金属，由于
表面形成致密的氧化膜，使其在常温下非常稳定。
但是在高温下，钛则有强烈的吸氢、
氧、氮的能力，如图2一l所示。
龟
＼
篙
釜
d
飞＼
譬
釜
司
（8）吸氮后增加的重量（b）吸氧后增加的重量
器
＼
芋
＼
旺
d
（c）吸氮后增加的重量
图2．1纯钛的气体吸收曲线
空气中钛在250。
C开始吸氢，500。
C开始吸氧，600。
C开始吸氮1531，随着温度提高，
钛吸收气体的能力更强。
氮和氧固溶于钛中，使钛晶格畸变，变形抗力提高，强度和
裟啪糍譬嚣嚣
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硬度增加，塑性和韧性降低。
钛焊缝的含氢量对焊缝冲击性能的影响最为显著。
其原
因：
主要是随着焊缝含氢量的增加，焊缝中析出的片状或针状TiH2增多。
TiH2的强度
很低，故片状或针状TiH2的作用像微型缺口一样，大大降低了焊接接头的冲击性能
154451。
气孔是钛合金焊接时最常见的焊接缺陷，焊接气孔主要是由于焊接区，特别是对
接端面被水分、油脂等沾污引起的。
氩气及母材中含氢、氧或水量提高都会明显使焊
缝的气孑L增加。
其次，钛板表面常受到外部杂质的污染，这包括水分、油脂、氧化物
（钛及钛合金表层的氧化物常带有结晶水）、含碳物质、尘埃、砂粒、磨料质点（表面用
砂轮磨削或用砂纸打磨后的残余物）、有机纤维、脏指印及吸附的气体等【5”。
这些杂
质对钛及钛合金气孑L的生成都有一定的影响，对接端面处的表面杂质污染对气孔形成
的影响更为显著。
另外，钛合金激光焊接的不稳定性将导致焊接过程和焊缝成形的剧烈波动，严重
影响焊接质量，这种不稳定性也将在一定程度上对钛合金激光焊接接头的微观组织和
宏观性能产生不可忽视的影响。
由于钛合金激光焊接存在着物理现象和焊缝成形完全
不同的三种焊接过程，即稳定热导焊、稳定深熔焊和不稳定焊接过程。
其中激光焊接
的不稳定性发生在稳定深熔焊与稳定热导焊之间。
当激光功率密度处于小孔形成的l沲
界条件附近时，工件表面等离子体自身的波动及对激光的吸收作用使得工件实际获得
的激光能量产生波动，致使小孔不能稳定存在，从而造成焊接过程的不稳定【57l。
2．2钛合金激光焊接试验
试验材料
试验用材料为TCl钛合金和∥20型钛合金，由真空白耗电弧炉熔炼而成，分别
加：
亡成1．5mm和1．8mm厚的冷轧板，真空电炉退火处理。
其化学成分及机械性能见
表2-l和表2-2。
表中，％为抗拉强度，万为延伸率，口‘为弯曲角
表2一lTCl钛合金主要化学成分及室温机械性能
TiAI（％）Mn（％、以（Mpa）万（％）口
基2．01．87502560
表2-2∥20型钛合金主要化学成分及室温机械性能
7nAI（％1V（％）Mof％）Zrf％）o-h（Mpa）万（％）
基6．72．222．02．0811009．5
试验方法
课题中激光焊接试验用激光器为美国产PRC2000快速轴流激光器，额定功率
2000w，模式TEM01*，激光束经铜境反射后，采用f=125mm的ZnSn透镜聚焦，聚
焦光斑半径≤O．2mm。
激光焊接示意图如图2-2
丝堂捏选立塑-
图2-2口20合金激光焊接示意图
管
气体保护
钛合金在高温时容易吸收氧、氢、氮等气体，影响接头的焊接性能，甚至造成焊
接缺陷。
为此，钛合金激光焊接时必须采取惰性气体保护措施或将焊件置于真空室中。
但由于真空保护效率低、成本高，工件尺寸也受到真空室大小的限制，而且保护效果
并不
升级会员 