摘要：激光深熔焊接溫度場(chǎng)分析對(duì)于焊接應(yīng)力、變形與接頭組織性能預(yù)測(cè)，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(duì)激光深熔焊特點(diǎn)，采用組合熱源模型與瞬態(tài)有限元方法，通過(guò)確定合理的能量分配系數(shù)，依據(jù)熔池邊界準(zhǔn)則，對(duì)鈦合金T 型接頭激光深熔焊的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究。

　　關(guān)鍵詞：鈦合金 激光焊 組合熱源 溫度場(chǎng)

　　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(gè)快速、不均勻的熱循環(huán)過(guò)程，焊接區(qū)域溫度梯度極大，對(duì)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(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)焊接熱過(guò)程，對(duì)焊接應(yīng)力與變形預(yù)測(cè)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(duì)激光深熔焊機(jī)制，國(guó)外從70 年代以來(lái)，就有很多學(xué)者[1~4]對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，提出了描述激光深熔穿透過(guò)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(dòng)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(duì)入射激光吸收系數(shù)的影響和激光焊接工藝參數(shù)對(duì)熔深的影響，建立了不同的能量吸收模型。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)激光焊接機(jī)理及激光焊接溫度場(chǎng)與力學(xué)場(chǎng)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(guò)程分析表明，普通熔焊的熱源模型不適合激光深熔焊特點(diǎn)，而嚴(yán)格按照“小孔”穿透機(jī)理進(jìn)行溫度場(chǎng)分析又很難適應(yīng)工程實(shí)際的需要。根據(jù)焊接傳熱機(jī)制，焊件的整體溫度場(chǎng)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(duì)于實(shí)際焊件的溫度場(chǎng)分析十分必要。本文根據(jù)激光深熔焊工藝分析的實(shí)際需要，對(duì)TC4（Ti-6Al-4V）和ZT4（Ti-6Al-4V）兩種工業(yè)鈦合金激光深熔焊接時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)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(dāng)激光功率達(dá)到106W/cm2 時(shí)，激光能量向工件輸入的速率遠(yuǎn)大于傳導(dǎo)、對(duì)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(guò)匙孔而進(jìn)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(dāng)匙孔產(chǎn)生的蒸汽壓力與熔池中液體金屬的靜應(yīng)力達(dá)到平衡時(shí)，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(yuǎn)大于普通熔焊焊縫。

　　2.2 熱源模型

　　對(duì)于焊接熱過(guò)程模擬，當(dāng)穿透深度較小時(shí)，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場(chǎng)。其所模擬的焊縫熔寬較大，熔深較小，熔池呈淺碟型，在深度方向上，是呈半圓形的，然而對(duì)于高功率密度熱源的激光深熔焊接，面熱源模型忽略了激光對(duì)于表面以下熔池的挖掘作用，此時(shí)可以采用體熱源進(jìn)行分析，模擬的熔池形狀與實(shí)際的焊縫熔合線在熔深方向上較為吻合，但是熔池表面附近區(qū)域仍舊無(wú)法模擬。

　　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(shí)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(shí)際傳熱過(guò)程的焊接熱源模型，因?yàn)樗粌H考慮了深度方向熱流作用半徑的衰減，將生熱質(zhì)點(diǎn)限定在熔池區(qū)域范圍，而且對(duì)深度方向生熱質(zhì)點(diǎn)的功率消耗進(jìn)

　　行了有效的補(bǔ)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(dǎo)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(lái)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(shí)的離焦量、焊接速度以及熱擴(kuò)散系數(shù)等。

　　移動(dòng)高斯面熱源模型為：

　　(3) 式中，ν為焊接熱源移動(dòng)速度，時(shí)間因子τ定義了t=0 時(shí)的熱源位置，r0 為熱流密度降為最大熱流密度的5%處的點(diǎn)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(duì)于深度方向生熱質(zhì)點(diǎn)的功率消耗進(jìn)行了有效的補(bǔ)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(gè)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(gè)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(chǎng)分析中，移動(dòng)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(gè)單元體上的。

　　3 鈦合金激光深熔焊溫度場(chǎng)模擬

　　3.1 幾何模型

　　鈦合金激光焊接T 型接頭實(shí)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(zhǎng)度60mm，寬度20mm，腹板材料為ZT4 鈦合金，厚度10mm，高度12.3mm，長(zhǎng)度60mm。TC4 是一種á＋? 型的變形鈦合金，屬于

　　Ti-Al-V 系合金，而ZT4 是一種鑄造鈦合金，屬于中強(qiáng)結(jié)構(gòu)合金。

　　圖4 T型接頭的幾何尺寸模型

　　3.2 熱物理參數(shù)

　　選取激光焊接功率2kW，焊接速度1.5m/min，焊接熱效率0.85，能量分配系數(shù)0.3。進(jìn)行模擬所需的材料常物理參數(shù)見(jiàn)表1，圖5 為熱物理參數(shù)隨溫度變化的曲線。

　　表1 材料的常物理參數(shù)

　　3.3 有限元網(wǎng)格劃分

　　為了減小激光焊接溫度場(chǎng)模擬的分析規(guī)模，取工件的一半長(zhǎng)度（30mm）進(jìn)行模擬，這樣也可以模擬出400℃的分布范圍，符合實(shí)際需要。如果在相同尺寸的網(wǎng)格劃分條件下，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)進(jìn)行模擬則需要近20 萬(wàn)個(gè)結(jié)點(diǎn)，這在PC 上是難于進(jìn)行而且相當(dāng)耗時(shí)的。

　　溫度場(chǎng)模擬采用ANSYS 通用有限元分析軟件。為了能夠清楚地模擬出焊縫熔合線形狀，在經(jīng)歷高溫?zé)嵫h(huán)的焊縫和熱影響區(qū)采用加密映射網(wǎng)格，網(wǎng)格間距約為0.2mm。在遠(yuǎn)離焊縫的峰值溫度較低的區(qū)域采用間距較大的自由網(wǎng)格劃分。有限元網(wǎng)格劃分如圖6 所示，計(jì)算時(shí)將熱流和對(duì)流施加于面網(wǎng)格Plane55 上。

　　圖6 有限元網(wǎng)格

　　4 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

　　圖7a~7b 分別給出了熱源處于兩個(gè)不同位置（或不同時(shí)刻）的溫度場(chǎng)分布，其中，圖7a 為焊接熱源在焊接方向上從起始點(diǎn)移動(dòng)9mm 時(shí)的焊接溫度場(chǎng)分布，圖7b 為焊接熱源在焊接方向上從起始點(diǎn)移動(dòng)18mm 時(shí)的焊接溫度場(chǎng)分布。模擬結(jié)果表明，激光焊接熱源向前移動(dòng)一定距離后，與焊接方向垂直的焊縫橫截面上的溫度場(chǎng)分布基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

　　圖7 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

　　圖8 為模擬熔池邊界與實(shí)際焊縫熔合線的比較，其中細(xì)實(shí)線為液固邊界。從圖中可以看出，模擬的焊接熔池形貌和焊縫熔合線相似，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溫度場(chǎng)是合理的。

　　圖8 模擬熔池邊界與焊縫熔合線對(duì)比

　　鈦合金在溫度高于400℃時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，在激光焊接過(guò)程中通常需要對(duì)溫度高于400℃以上的區(qū)域采取特殊保護(hù)措施，因此模擬400℃臨界溫度區(qū)域邊界對(duì)鈦合金的激光焊接工藝具有重要指導(dǎo)意義。

　　圖9 給出了400℃臨界區(qū)域模擬結(jié)果，圖中實(shí)線表示了400℃等溫線。

　　圖9 鈦合金激光焊400℃臨界保護(hù)區(qū)域

　　由圖9a 可以測(cè)量出，在翼板上表面需要保護(hù)的臨界區(qū)域尺寸是20.7mm×11.3mm，有效保護(hù)區(qū)不宜小于此尺寸。由圖9b 可以看出，在垂直于焊縫的橫截面上，400℃等溫線全面位于焊件內(nèi)部，所以在翼板與腹板連接交角處不需要進(jìn)行保護(hù)。

　　5 結(jié)論

　　5.1 選取合適的熱源模型是進(jìn)行激光深熔焊焊接溫度場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)激光深熔焊接小孔模型的分析，指出使用高斯面熱源疊加峰值熱流遞增型旋轉(zhuǎn)體熱源的組合熱源模型是研究激光深熔焊接溫度場(chǎng)合理的熱源模式。

　　5.2 在組合熱源模型中，能量分配系數(shù)反映了激光深熔焊過(guò)程中能量沿深度方向上的沉積特征，對(duì)焊縫深寬比的模擬結(jié)果具有重要影響。通過(guò)合理選取能量分配系數(shù)可對(duì)激光深熔溫度場(chǎng)進(jìn)行有效的模擬研究。

　　5.3 通過(guò)對(duì)TC4 和ZT4 鈦合金T 形接頭激光深熔焊接溫度場(chǎng)的模擬，確定了焊接時(shí)需要保護(hù)的臨界區(qū)域，驗(yàn)證了組合熱源模擬激光深熔焊接溫度場(chǎng)的適用性。