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1、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（完整版）资料(可以直接使用，可编辑 优秀版资料，欢迎下载）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18mm厚P20型钛合金板激光拼焊推荐工艺参数为激光功率16001800W，焊接速度2736nd
2、min。 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。Wcm2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ANSY
3、S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+60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 With the advantages of hi
4、gh strengthtoweight rmio，excellent corrosions resistance， titanium and titanium alloy have been applied more and more widely in many fieldsThe laser welding is suitable for the titanium and titanium alloy because of its lligh power density,good welding performance，and easy inspection Based on experi
5、ments of titanium laser welding，the result shows pores are a comnqon defect in the weld for laser welding of titanium alloysThe 02，N2 in the air and the H20 absorbed On the surface of the work piece are the main resource of these poresThe titanium weld、vim laser welding has higher strength and hardn
6、ess，lower ductility than those of base materialsFor the laser welding of titanium alloy witll 18mm thickness1aser power 16001800W and welding speed 27-36mmin were recommended in the thesis The process of laser fullpenetration welding includes a serial of physical and chemical phenomenaThe interactio
7、n of high power laser beam witl the target materials is a complex，mutidimensional and muff-parameter systemAt power density of the order of 1 06Wcm2 typically used in deep penetration welding，the irradiated surface becomes molten and subsequently vaporizes forming a cavity known as keyhole filled wi
8、th laser-induced plasmaThe welding performance is strongly determined by the behavior of the laser-induced plasma and the various energy-absorption mechanisms，as well as the keyhole and the molten pool shapeMany experts have studied the simulation of laser welding process，but the real-time reproduct
9、ion of the 3D temperature field is still limited Now,though ANSYS(a finite element analysis software)becomes the focus of the simulation research with FEM，there hasnt a report about using ANSYS for simulation of laser welding process The key problems of simulating a 3D temperature field of the laser
10、 fullpenetration welding based on the ANSYS software were studied in the thesisUsing spherecolumn thermal model，the ANSYS code written by APDL language Can simulate the 3D IItemperature field effectivelyTo deal with the difficulty of using ANSYSobjectoriented design was applied during the developmen
11、t on ANSYS software with VC+60By this way,not learning the finite element theory and ANSYS software，experts of laser welding can use ANSYS to simulate the laser welding process easily only inputting parameters into the system that has a friendly interface Keywords：Titanium alloy laser welding Laser
12、fullpenetration welding 3D temperature field Numerical simulation III1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
13、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
14、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。11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2 02 5，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
15、、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。12激光焊接有限元数值模拟121激光焊接机理当激光光斑上的功率密度足够大时(106Wcm2)，金属在激光的照射下被迅速加热
16、，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(Vapor Capillary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
17、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11)，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122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
18、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f2-32125J；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
19、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d
20、qL、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。Goldak451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
21、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。Wei48】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，Kaplan491改进了Kaplan501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)f5 2】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
22、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。13 ANSY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(Finite Element Analysis)技
23、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，Postl and Post26)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13所示。图1-3 ANSYS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
24、界面fGUI)，有利于将其应用到激光焊接过程的有限元模拟中。14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
25、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AN
26、SYS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+60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
27、+60、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。21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
28、量图21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02 Oj O 懈m哪惜嘣m哪 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TiH 2增多。TiH 2的强度很低，故片状或针状TiH 2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
29、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
30、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。22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15mm和18mm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l TCl钛合金主要化学成分及室温机械性能Ti AI() Mn(、以(Mpa)
31、万() 口基20 18 750 25 60 表2-220型钛合金主要化学成分及室温机械性能7n AI(1 V() Mof) Zrf) o-h(Mpa) 万() 基67 222 20 208 1100 95 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O2mm。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
32、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，而且保护效果并不比惰性气体保护好，因此，钛合金的激光焊接通常采用惰性气体保护。氦气和氩气是可供选择的两种惰性保护气体，虽然氦气的保护效果要比氨气好，但较为昂贵， 很少采用，除非应用在要求极其严格的场合，因此，在通常情况下，钛合金激光焊接时多采用高纯氩气保护。钛合金板材对接焊时，应从三个方面对焊接区域进行气体保护，即激光加热处、埠缝后部高温区及焊缝背面。需要采用专用焊接夹具和气体保护拖罩。焊接夹具的形 式如图2-3所示。铜垫板和冷却板起散热的作用。焊接时，在铜垫板的方形槽中通入氩气，保护钛合金板的焊缝背面，而
33、且应在焊前3min左右预先通入氩气，以保证焊接时方形槽中已注满氩气，同时，方形槽两端应放置挡块。试件图23声20焊接夹具示意图为保证焊接接头质量，需采用拖罩保护熔池尾部。设计原则是：由钛材焊接时的温度场确定需要保护的面积，从而确定保护罩大小。钛合金试件焊前清理影响钛合金激光焊接质量的另一重要因素是钛合金试件的清洁程度。焊前应严格清理试件表面，去除氧化膜、油污、灰尘、锈迹和机械加工留下的冷却液，甚至包括人手触摸的痕迹以保证试件的清洁，防止杂质对焊接接头的污染。对试件的清洗可采用酸洗，酸洗液是用一定比例的硝酸和盐酸加清水配制而成。试件在酸洗液中放置约两分钟，然后取出用清水冲洗干净，并用吹风吹干。完
34、成清理工作后，应将钛合金试板放在封闭、干燥、清洁之处，试验人员应佩戴棉布手套来取放试件，禁止直接用手触及试件。221钛合金激光焊接缺陷试验为了研究保护气体和焊前清理对激光焊接钛合金气孔的影响，采用表23所示条件进行激光焊接试验，焊接材料为TCl钛合金，板厚1,5turn，激光焊接功率1600W， 激光焊接速度21 3mmin。 表2-3激光焊接气孔试验试样编号气体保护焊前清理焊缝质量侧吹、顶吹、背面及拖表面光亮银白色，焊1 酸洗后风干罩保护缝无裂纹、气孔侧吹、顶吹、背面及拖表面光亮银白色，焊2 酸洗后风干罩保护缝无裂纹、气孔 表面淡黄色，焊缝大3 只有顶吹表面去油未酸洗量气孔，无裂纹4 只有顶
35、吹表面去油未酸洗表明暗灰色，焊缝大量气孔，无裂纹表面淡黄色，焊缝少5 只有顶吹酸洗后风干量气孔，无裂纹6 侧吹、顶吹、背面及拖表面银白色，焊缝少罩保护表面去油未酸洗量气孔，无裂纹7 侧吹、顶吹、背面及拖表面去油未酸洗表面银白色，焊缝少罩保护量气孔，无裂纹表面淡黄色，焊缝有8 只有顶吹酸洗后风干少量气孔，无裂纹注：表中侧吹气流量为1 3mjht顶畋气流量为0 5 mj，fl，背面保护气流量为2 0 m】h 试验中顶吹的主要目的是保护激光焊接镜片，侧吹、顶吹、背面及拖罩保护是为r对熔池和热影响区进行保护。肉眼观察所得焊缝表面颜色并进行X射线检测焊缝缺陷。由上表可以看出：进行好的气体保护，并进行严格
36、焊前清理的l，2号焊缝，表丽呈光亮的银白色，焊缝成型良好，而且焊缝内未发现任何气孔；进行了好的气体保护，但表面去油未酸洗的6，7焊缝，经过x射线探伤均存在不同数量的气孔：而焊日口迸行酸洗并风干，却没进行很好气体保护的5，8焊缝，其表面有的呈淡黄色，有的呈暗灰色，表明焊缝金属受到了不同程度的氧化，而且焊缝内部也存在一定量的气孔，其数量随着保护程度的恶化而增加；而既没酸洗，又没进行好的气体保护的3，4 焊缝，除了表面具有明显的氧化膜以外，内部也存在大量气孔。从表中还可以看出， 无论是气体保护不好还是酸洗未风干钛合金激光焊接都会有气孔产生，这是由于钛合余在高温F有强烈的吸氨、氧、氮的能力，当空气中的
37、氮气、氧气以及焊接工件表面的水分进入熔池后，来不及挥发形成气孔。至于氮气、氧气和水分对激光焊接钛合金气孔的具体影响还需要作进一步的研究。 222钛合金工艺参数试验对20型钛合金进行激光拼焊试验，实验目的探讨20型钛合金合适的激光拼焊工艺参数。试样规格lOOX IOOX 18mm，接合厩经铣床加工。试样去锈、酸洗后， 自来水冲洗并烘干。烘干后试样表面洁净，无氧化色。具体试验采用的工艺参数见表2-4 表2-4不同试件拼焊所用的工艺参数试件编号激光功率(w) 焊接速度(mmin) 卢201 1500 27 8 20-2 1500 27 8 203 1800 36 8 20-4 1800 36 9 2
38、0-5 1800 36 8 206 1800 27 口20-7 1800 27 B 208 1500 36 试验工艺要点： 1】将酸洗过的待焊试件对接面附近用酒精或丙酮擦拭干净： 【2】将擦拭过的试件在夹具上装夹好，错边量不超过10； (3】调整焦点位置，设定离焦量为一o5ram，即焦点位于工件上表面以下o5mm； f4】调整保护罩与工件的距离，此距离般为23mm； 5】焊缝对中，调节工作台，使指向性半导体红光连续通过焊缝中心，； 6】6送保护气，将保护气阀门打开，调节保护气流量至最佳值； f7】开始焊接，按下工作台工作行程开关，待焊件到达激光入射点之前约204 30ram处，打开光闸开始焊接
39、； 8】焊接完毕，先关光闸，再关保护气阀门，最后停止工作台； 严格按照以上焊接要点进行激光拼焊试验，并对拼焊所得试件进行焊缝质量分析如下： ：=；=；= 外观检查用肉眼观察，发现焊缝宽窄均匀，宽度在12mm之内焊缝到母材平滑过渡。焊缝横截面低倍金相组织如图2-4。图2-4激光焊接20型钛合金的低倍组织从图中可看出，焊缝中心到母材的过渡段内有轻微的下凹(下凹度不超过10板厚)，焊缝中心略向上凸起。背面焊缝有一定宽度，且余高也在规定的范围之内，表面成型优良。表面渗透检验由于钛板为非铁磁性物质，采用渗透探伤进行表面检测，检测结果详见附表一。经检测，未发现表面气孔、裂纹等。仅发现口203试件中间有一段
40、约30mm长的焊缝采焊透。进一步的检测发现，未焊透的焊缝，其焊肉偏于工件一侧，说明末焊透是由f。焊接时激光束运动轨迹与焊缝不对中所致。内部射线探伤对所焊接试件进行了射线探伤，以考察焊缝内部质量，发现除了上面所述未焊透的缺陷外，内部未发现气孔、裂纹等，焊缝内部质量按JB473094标准均达到I级焊缝要求。详细结果见附表二。力学性能试验参照GB2651和GB2653，采用线切割技术将焊好的试件切成15mm宽的拉伸试样和弯曲试样，进行拉伸和弯曲试验。拉伸试验表明，大部分接头均在母材处断裂，只4 有低功率、低速率工艺条件下的焊接试样在焊缝处断裂，即便如此，其抗拉强度也都超过了母材强度的下限值90的标准
41、，达到I级焊缝的要求。拉伸试验详细结果见附表三。弯曲试验结果表明，焊缝的弯曲角在lO。左右，母材的弯曲角为24。，可见焊缝的弯曲角有一定的下降。这与焊缝的马氏体组织有关。对试样进行显微硬度分析，显微硬度分布如图25。：k 曰m1 b 武j一。j “ 、 。“j “1 、5w刍i40、1百qwI”#i丁1丁、1_百两o D 02 o A 1m 2 。， 。 。- 。 ： 一悍哇中心的E膏lmm) 目4i|Iram) 图25焊缝横截面水平和垂直方向的显微硬度可见，焊缝中间有最高的硬度，从热影响区到母材的硬度逐渐下降，过渡平缓。焊缝纵向的显微硬度为焊缝中心硬度最高，而焊缝顶部及底部的硬度较低。组织分
42、析采用常规方法制备焊缝部分的金相试样，进行金相分析。腐蚀剂为5HF+ 5HN03+H20，腐蚀时间为23min，图2-6为焊接的显微组织图片。图2-620型钛合金板横截面中部显微组织 从图中可以看出，焊缝组织晶粒粗大，其原因是钛合金的导热性较差。焊缝粗大揣粒为针状马氏体，这种组织明显提高了焊缝的强度。从照片上还可看出焊缝焊缝下部比上部组织细密，且晶粒呈“八”字形生长，这是由于激光焊接时焊缝上部能量多， 下部能量少，焊缝的下部冷却速度比上部更快所致。口20型钛合金激光拼焊试验结果分析： 1)在所有的几组拉伸试验结果中，只有当激光功率为1500W，焊接速度为27mmin时，焊缝先于母材断裂，这可能
43、是由于焊缝的错边造成，还有待更进一步的试验验证。2)从试验结果，对18mm厚p 20型钛合金激光拼焊推荐工艺参数为激光功率1600W1800W，焊接速度2736mrain。3)焊缝弯曲角比母材的弯曲角低，这与钛合金激光焊接后的金相组织有关，焊缝的马氏体组织降低了焊缝的弯曲性能。23本章小结本章研究了钛合金激光焊接主要缺陷及其成因，并探讨了18mm厚口20型钛合金板激光焊接的工艺参数。文中进行了15mm厚TCl钛合金板激光焊接缺陷试验和18mm厚口20型钛合金板拼焊焊接工艺参数试验。钛合金激光焊接主要缺陷是气孔，钛合金激光焊接时吸收的氢、氧和氮是产生气孔的原因，但其具体影响还需进一步的研究。焊接
44、缺陷试验表明只要我们采取好的气体保护和严格的焊前清理能得到表面无氧化物，内部无气孔、裂纹的质量优良焊缝。通过试验表明，钛合金激光焊接，具有焊道窄、热影响区小、焊接变形小以及焊接速度快等优点。激光焊接焊缝晶粒粗大，为典型的马氏体组织，热影响区为胞状组织，熔池上、下部冷却速度的不同导致了焊缝晶粒呈“八”字形生长。激光焊接焊缝内部的针状马氏体组织提高了焊缝的强度、硬度，降低了焊缝的塑性和弯曲性能。18mrn厚20型钛合金板激光拼焊推荐工艺参数为激光功率16001800W，焊接速度2736mrain。 3 激光穿透焊接ANSYS有限元计算模型如前所述，激光穿透焊接包含着一系列复杂的物理、化学反应现象，
45、如光的吸收， 材料的熔化和蒸发、光致等离子体，熔池表面因表面张力梯度引起的热毛细流动，还育焊缝金属的凝固结晶等，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，被焊材料在极短时间内熔化、汽化直至形成小孔，并出现激光诱导的等离子体。光致等离子体对激光束可产生反射、折射、散射，改变激光束的聚焦状态，并通过逆韧机制吸收激光能量；小孔的形成，可使激光入射角度在小孔中发生改变，造成经多次反射引起的菲涅尔吸收，出现所谓的“壁聚焦效应”【58删，从而大大提高材料对激光的吸收率：激光焊接过程还与材料的性质有关。显然完全用试验的方法进行上述研究是很困难的，用计算机模拟分析激光焊接过程，已成为激光焊接领域的热点之一。用有限元方法模拟时，原则上允许考虑几乎任何复杂的情况。但实际上，资源和经济上的要求给予了限制。这就要求我们在建模时， 重点考虑那些对结果有直接或重要影响的因素，而适当考虑甚至忽略那些对计算结果j有间接或是次要影响的因素。有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。建立激光焊接的三维有限元模型包括确定几何模型、材料特性、单元类型、网格划分以及激光焊接的特殊热源模型等。本