摘要：激光深熔焊接溫度場分析對于焊接應(yīng)力、變形與接頭組織性能預(yù)測，優(yōu)化焊接工藝，保證焊接結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量等方面具有重要意義。針對激光深熔焊特點，采用組合熱源模型與瞬態(tài)有限元方法，通過確定合理的能量分配系數(shù)，依據(jù)熔池邊界準則，對鈦合金T 型接頭激光深熔焊的三維溫度場進行了模擬研究。 關(guān)鍵詞：鈦合金 激光焊 組合熱源 溫度場 1 引言 激光焊作為一種高能束焊接方法，廣泛應(yīng)用于高精度、高質(zhì)量的現(xiàn)代工業(yè)焊接領(lǐng)域。 由于激光焊是一個快速、不均勻的熱循環(huán)過程，焊接區(qū)域溫度梯度極大，對結(jié)構(gòu)焊后的殘余應(yīng)力和變形有重大影響，成為焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量和使用性能的重要作用因素，所以準確地認識焊接熱過程，對焊接應(yīng)力與變形預(yù)測控制、組織性能分析及保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有重要意義。 針對激光深熔焊機制，國外從70 年代以來，就有很多學者[1~4]對其進行了深入的研究，提出了描述激光深熔穿透過程的蒸汽小孔模型；研究了熔池形狀以及熔池中金屬的流動和熱流分布；考慮被焊材料的電子密度、離子化程度、等離子體對入射激光吸收系數(shù)的影響和激光焊接工藝參數(shù)對熔深的影響，建立了不同的能量吸收模型。近年來，國內(nèi)有關(guān)激光焊接機理及激光焊接溫度場與力學場的數(shù)值模擬方面的研究也正在引起重視[5~12]。 激光深熔焊熱過程分析表明，普通熔焊的熱源模型不適合激光深熔焊特點，而嚴格按照“小孔”穿透機理進行溫度場分析又很難適應(yīng)工程實際的需要。根據(jù)焊接傳熱機制，焊件的整體溫度場與焊接熔池邊界向周圍焊件傳遞的熱量密切相關(guān)，因此，建立能夠模擬激光深熔焊熔池邊界的熱源模型對于實際焊件的溫度場分析十分必要。本文根據(jù)激光深熔焊工藝分析的實際需要，對TC4（Ti-6Al-4V）和ZT4（Ti-6Al-4V）兩種工業(yè)鈦合金激光深熔焊接時的溫度場進行了數(shù)值模擬。 2 激光深熔焊熱源模型 2.1 激光深熔焊的基本特征 當激光功率達到106W/cm2 時，激光能量向工件輸入的速率遠大于傳導、對流、輻射散熱的速率，材料表面產(chǎn)生汽化而形成匙孔，激光能量是通過匙孔而進行轉(zhuǎn)換和傳遞的。 激光深熔焊接中熔池與匙孔如圖1。焊件表面被加熱、熔化、蒸發(fā)，在蒸汽壓力的作用下形成匙孔，當匙孔產(chǎn)生的蒸汽壓力與熔池中液體金屬的靜應(yīng)力達到平衡時，匙孔穩(wěn)定存在。 圖1 激光深熔焊接示意圖激光深熔焊由于匙孔的穿透作用，焊縫截面形貌特征為釘形焊縫[4]，焊縫的深寬比遠大于普通熔焊焊縫。 2.2 熱源模型 對于焊接熱過程模擬，當穿透深度較小時，例如普通熔焊的傳熱分析，使用面熱源模型就可以較好地模擬溫度? Ｆ淥Ｄ獾暮阜烊劭斫洗螅凵罱閑。鄢爻是車停諫疃確較蟶希淺拾朐殘蔚模歡雜詬吖β拭芏熱仍吹募す饃釗酆附櫻嬡仍茨Ｐ禿雎粵思す舛雜詒礱嬉韻氯鄢氐耐誥蜃饔茫聳笨梢圓捎錳迦仍唇蟹治觶Ｄ獾娜鄢匭巫從朧導實暮阜烊酆舷咴諶凵罘較蟶轄銜嗆希僑鄢乇礱娓澆蛉躍晌薹Ｄ狻? 為了模擬出具有大釘頭小釘身的激光深熔焊焊縫，使用面熱源和體熱源兩種類型熱源相組合的模型是一種合理的方案，這樣模擬的熔池形狀才與實際的焊縫熔合線基本吻合。 在體熱源模型中，峰值熱流沿深度遞增的旋轉(zhuǎn)體熱源模型是一種比較符合深熔焊實際傳熱過程的焊接熱源模型，因為它不僅考慮了深度方向熱流作用半徑的衰減，將生熱質(zhì)點限定在熔池區(qū)域范圍，而且對深度方向生熱質(zhì)點的功率消耗進 行了有效的補償。所以在組合熱源中，表面熱源取高斯型熱流分布面熱源模型，而體熱源取峰值熱流遞增的旋轉(zhuǎn)體熱源，其模式如圖2所示。其中面熱源控制表面熔池和釘形焊縫的釘頭部分，體熱源反映匙孔效應(yīng)導致的深層液體薄層和“釘形”焊縫。 圖2 組合熱源模型示意圖總的輸入功率在組合熱源中需要按一定比例分配，總熱流等于表面熱流與體積熱流兩者之和。即： Ps + Pv = P（1） 式中 Ps、Pv 分別為面熱源和體熱源的功率，P 為熱源的有效功率。 將面熱源功率所占總有效輸入功率的比例系數(shù)稱為能量分配系數(shù)，用γ來表示，則有： Ps = γP , Pv = (1-γ)P （2） 能量分配系數(shù)表征了焊縫橫截面上沿深度方向能量沉積的分布規(guī)律，它直接決定了焊縫的深寬比，這樣也就基本決定了焊縫截面形貌特征。能量分配系數(shù)的取值主要取決于激光深熔焊接時的離焦量、焊接速度以及熱擴散系數(shù)等。 移動高斯面熱源模型為： (3) 式中，ν為焊接熱源移動速度，時間因子τ定義了t=0 時的熱源位置，r0 為熱流密度降為最大熱流密度的5%處的點到熱源中心的徑向距離。峰值熱流遞增型旋轉(zhuǎn)體熱源的一般形式可以表示為：式中 I(z)為峰值熱流遞增函數(shù)，將該遞增函數(shù)與9Pv/(πhr20)合并考慮，就可以表示峰值熱流沿深度方向的遞增關(guān)系，對于深度方向生熱質(zhì)點的功率消耗進行了有效的補償。r1(z)表示旋轉(zhuǎn)體的熱流作用半徑沿深度衰減。 峰值熱流遞增函數(shù)以及旋轉(zhuǎn)體的半徑衰減函數(shù)形式的選擇較為靈活，這兩個函數(shù)的選取大體上取決于焊縫的形貌特征。一旦設(shè)定了這兩個函數(shù)，就可以利用功率平衡方程求解相應(yīng)的峰值熱流遞增型旋轉(zhuǎn)體熱源模型。 在激光深熔焊溫度場分析中，移動高斯面熱源是作為熱流密度施加在面單元上的，而峰值熱流遞增型旋轉(zhuǎn)體熱源是作為生熱率施加在整個單元體上的。 3 鈦合金激光深熔焊溫度場模擬 3.1 幾何模型 鈦合金激光焊接T 型接頭實際幾何模型焊件如圖4。其中，翼板材料為TC4 鈦合金，厚度1.7mm，長度60mm，寬度20mm，腹板材料為ZT4 鈦合金，厚度10mm，高度12.3mm，長度60mm。TC4 是一種á＋