发布日期：2025-3-22 11:33:33
钛合金具有良好的综合性能，比强度高、不导磁、中温性能好，在多种环境中有优良的抗腐蚀性，在室温和高温下相对于其他轻金属、耐蚀钢和结构钢，钛合金是一种具有竞争力的材料[1-3]。TC4钛合金作为一种典型α+β两相钛合金，具有良好的焊接性和机械加工性能[4]，在航空航天领域应用越发广泛。
激光焊是利用高能量密度的激光束作为热源的高效精密焊接方法，具有非接触、高精度、高效率等优势。在激光焊接技术研究过程中，传统采用试验法或试错法，成本高、效率低，而数值模拟仿真技术的应用，将传统的“理论-实验-生产”的生产模式优化为“理论-数值模拟-生产”现代生产模式，不仅可以实时获取焊接过程中温度场、应力应变的分布规律，预测可能出现的缺陷，也减少了产品研发成本，缩短了生产周期，已经成为研究焊接技术不可或缺的科研途径[5]。本文借助数值模拟技术开展钛合金激光焊接过程中的应力应变仿真研究。
1、仿真系统设计
建立有限元模型，包括几何模型的建立与网格模型的划分、焊接热源模型的建立，然后输入不同焊接工艺参数、不同焊接方向、不同拘束条件开展仿真分析，包括应力场仿真分析、变形仿真分析，最终完成整个仿真分析研究，总体方案设计见图1。
2、热源模型建立
接头采用两块TC4钛合金平板无间隙拼接而成，尺寸均为500mm×50mm×1.2mm。针对焊接过程特点，采用过渡单元进行网格划分。通过调整热源模型参数，观察熔池形貌，在保证残余应力和变形在正确范围的基础上，获得最佳的热源模拟参数。将固相线温度以上的区域用灰色表示，对熔池横截面形貌进行仿真求解与分析。从模拟结果可以看出，焊接熔池形貌良好，温度达到了TC4钛合金的熔点。通过与试验结果对比，如图2所示，虚线代表熔池容貌的边缘，左侧模拟的接头熔池形貌外形与右侧试验结果的接头熔池形貌外形基本吻合，证明该热源适用于该仿真过程。
3、焊后应力应变仿真分析
3.1不同工艺参数
（1）残余应力仿真分析
共设计12组焊接工艺参数，部分焊接工艺参数下的残余应力分布情况如图3所示。从图中可以看到，焊后残余应力主要是集中于焊缝及其附近区域，这主要是因为激光焊接时高热输入使焊缝附近高温区的金属产生热膨胀受到周围冷态金属的制约，加之焊接熔池随后的凝固收缩也受到制约，使该处的塑性变形受到制约。在各组焊接工艺参数中，激光功率为1100W、焊接速度为1.2m/min时的残余应力值最小，其残余应力峰值为824.5MPa。
（2）变形仿真分析
计算结果表明，结构在不同工艺参数下焊接后产生的变形都为角变形。因此，改变焊接工艺参数对焊后变形分布几乎没有影响，仅需针对一种焊接工艺参数下的焊后变形进行详细分析。激光功率为1100W、焊接速度为1.2m/min时的焊后整体变形最小，如图4，最大值为0.345mm，X方向（沿焊缝方向）的最大变形为0.041mm，Y方向的最大变形仅为0.019mm。由此可得，平板对接结构的变形主要是Z向变形，即轴向变形，且中部部位的变形最大。
3.2不同焊接方向
（1）残余应力仿真分析
由图5可知，焊接方向对焊后残余应力无明显影响，各方向下的残余应力均集中于焊缝及其附近区域，其中焊接方向三（从中间到两边）在整个焊缝的中间位置会有一个应力较小的区域，这个位置的应力是由于起弧或者收弧时产生的。在三种焊接方向中，焊接方向一（从一端到另一端）的残余应力值最小，其残余应力峰值为829.3MPa。
（2）变形仿真分析
由图6可知，结构在不同方向下焊接后产生的变形分布情况基本一致，当选择从一端向另一端焊接时，其最大变形为0.408mm，小于其他两种焊接方向；当选择从两端到中间焊接时，其最大变形为0.662mm，变
形峰值最大，但变形分布更为均匀。选择焊接方向一，即从一端向另一端焊接时其变形最小，焊接效果相对最好。
3.3不同拘束条件
（1）残余应力仿真分析
平板结构共四种机械拘束，每种机械拘束下的残余应力分布情况如图7所示。由图可知，各方案下的残余应力均集中于焊缝及其附近区域，在四种机械拘束中，接触拘束的残余应力值最小，其残余应力峰值为829.2MPa。
（2）变形仿真分析
平板结构在四种机械拘束下的焊后变形分布情况如图8所示。由图可知，各方案下的变形分布明显不同，其中三点拘束与全拘束的焊后变形均集中于焊缝区域，而弹簧拘束与接触拘束的变形集中于焊件两侧。在四种机械拘束中，全拘束的焊后变形最小，其变形峰值为0.408mm。
4、结论
针对TC4钛合金平板对接激光焊结构，借助数值模拟技术对焊接应力、变形的演变情况进行研究，获得了不同工艺参数、不同焊接方向下、不同拘束条件下的焊接残余应力和变形分布规律。
（1）不同工艺参数对激光焊平板对接结构的焊后残余应力影响不显著，焊后残余应力主要是集中于焊缝及其附近区域；对焊后变形影响显著，在宏观上产生了角变形并呈现出明显的线性相关：激光功率越大，焊接速度越小，则焊后变形越大。
（2）不同焊接方向对激光焊平板对接结构焊后残余应力、变形均无明显影响，各方案下的残余应力均集中于焊缝及其附近区域。在焊接方向从一端到另一端情况下残余应力值最小、变形最小，焊接效果相对最好。
（3）不同机械拘束下对激光焊平板对接结构焊后残余应力无明显变化，均集中于焊缝及其附近区域，平板结构在接触拘束情况下残余应力值最小。三点拘束与全拘束的焊后变形均集中于焊缝区域，而弹簧拘束与接触拘束的变形集中于焊件两侧，其中全拘束的焊后变形最小。
参考文献
[1]董宝明，郭德伦，张田仓.钛合金焊接结构在先进飞机中的应用及发展[J].航空材料学报，2003（23）:239-43.
[2]王红阳，张永操，祝美丽，等.2016.钛合金T形结构激光-电弧复合焊接成形工艺[J].电焊机，2016,46(3):14-18.
[3]王敏.钛合金T-型结构单面焊背面双侧成形焊接新技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.
[4]杨晓华，杨武林，兑卫真，等.TC4钛合金激光焊接头微观组织和硬度[J].材料热处理学报，2014,35（10）:70-74.
[5]邵国友.1Cr18Ni9Ti不锈钢低功率激光-双面TIG复合焊接仿真研究[J].制造业自动化，2013（23）：100-102.