鈦合金具有良好的綜合性能，比強(qiáng)度高、不導(dǎo)磁、中溫性能好，在多種環(huán)境中有優(yōu)良的抗腐蝕性，在室溫和高溫下相對(duì)于其他輕金屬、耐蝕鋼和結(jié)構(gòu)鋼，鈦合金是一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的材料[1-3]。TC4鈦合金作為一種典型α+β兩相鈦合金，具有良好的焊接性和機(jī)械加工性能[4]，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用越發(fā)廣泛。

激光焊是利用高能量密度的激光束作為熱源的高效精密焊接方法，具有非接觸、高精度、高效率等優(yōu)勢(shì)。在激光焊接技術(shù)研究過(guò)程中，傳統(tǒng)采用試驗(yàn)法或試錯(cuò)法，成本高、效率低，而數(shù)值模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，將傳統(tǒng)的“理論-實(shí)驗(yàn)-生產(chǎn)”的生產(chǎn)模式優(yōu)化為“理論-數(shù)值模擬-生產(chǎn)”現(xiàn)代生產(chǎn)模式，不僅可以實(shí)時(shí)獲取焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的缺陷，也減少了產(chǎn)品研發(fā)成本，縮短了生產(chǎn)周期，已經(jīng)成為研究焊接技術(shù)不可或缺的科研途徑[5]。本文借助數(shù)值模擬技術(shù)開(kāi)展鈦合金激光焊接過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變仿真研究。

1、仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

建立有限元模型，包括幾何模型的建立與網(wǎng)格模型的劃分、焊接熱源模型的建立，然后輸入不同焊接工藝參數(shù)、不同焊接方向、不同拘束條件開(kāi)展仿真分析，包括應(yīng)力場(chǎng)仿真分析、變形仿真分析，最終完成整個(gè)仿真分析研究，總體方案設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

2、熱源模型建立

接頭采用兩塊TC4鈦合金平板無(wú)間隙拼接而成，尺寸均為500mm×50mm×1.2mm。針對(duì)焊接過(guò)程特點(diǎn)，采用過(guò)渡單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過(guò)調(diào)整熱源模型參數(shù)，觀察熔池形貌，在保證殘余應(yīng)力和變形在正確范圍的基礎(chǔ)上，獲得最佳的熱源模擬參數(shù)。將固相線溫度以上的區(qū)域用灰色表示，對(duì)熔池橫截面形貌進(jìn)行仿真求解與分析。從模擬結(jié)果可以看出，焊接熔池形貌良好，溫度達(dá)到了TC4鈦合金的熔點(diǎn)。通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如圖2所示，虛線代表熔池容貌的邊緣，左側(cè)模擬的接頭熔池形貌外形與右側(cè)試驗(yàn)結(jié)果的接頭熔池形貌外形基本吻合，證明該熱源適用于該仿真過(guò)程。

3、焊后應(yīng)力應(yīng)變仿真分析

3.1不同工藝參數(shù)

（1）殘余應(yīng)力仿真分析

共設(shè)計(jì)12組焊接工藝參數(shù)，部分焊接工藝參數(shù)下的殘余應(yīng)力分布情況如圖3所示。從圖中可以看到，焊后殘余應(yīng)力主要是集中于焊縫及其附近區(qū)域，這主要是因?yàn)榧す夂附訒r(shí)高熱輸入使焊縫附近高溫區(qū)的金屬產(chǎn)生熱膨脹受到周?chē)�冷態(tài)金屬的制約，加之焊接熔池隨后的凝固收縮也受到制約，使該處的塑性變形受到制約。在各組焊接工藝參數(shù)中，激光功率為1100W、焊接速度為1.2m/min時(shí)的殘余應(yīng)力值最小，其殘余應(yīng)力峰值為824.5MPa。

（2）變形仿真分析

計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在不同工藝參數(shù)下焊接后產(chǎn)生的變形都為角變形。因此，改變焊接工藝參數(shù)對(duì)焊后變形分布幾乎沒(méi)有影響，僅需針對(duì)一種焊接工藝參數(shù)下的焊后變形進(jìn)行詳細(xì)分析。激光功率為1100W、焊接速度為1.2m/min時(shí)的焊后整體變形最小，如圖4，最大值為0.345mm，X方向（沿焊縫方向）的最大變形為0.041mm，Y方向的最大變形僅為0.019mm。由此可得，平板對(duì)接結(jié)構(gòu)的變形主要是Z向變形，即軸向變形，且中部部位的變形最大。

3.2不同焊接方向

（1）殘余應(yīng)力仿真分析

由圖5可知，焊接方向?qū)�焊后殘余�?yīng)力無(wú)明顯影響，各方向下的殘余應(yīng)力均集中于焊縫及其附近區(qū)域，其中焊接方向三（從中間到兩邊）在整個(gè)焊縫的中間位置會(huì)有一個(gè)應(yīng)力較小的區(qū)域，這個(gè)位置的應(yīng)力是由于起弧或者收弧時(shí)產(chǎn)生的。在三種焊接方向中，焊接方向一（從一端到另一端）的殘余應(yīng)力值最小，其殘余應(yīng)力峰值為829.3MPa。

（2）變形仿真分析

由圖6可知，結(jié)構(gòu)在不同方向下焊接后產(chǎn)生的變形分布情況基本一致，當(dāng)選擇從一端向另一端焊接時(shí)，其最大變形為0.408mm，小于其他兩種焊接方向；當(dāng)選擇從兩端到中間焊接時(shí)，其最大變形為0.662mm，變

形峰值最大，但變形分布更為均勻。選擇焊接方向一，即從一端向另一端焊接時(shí)其變形最小，焊接效果相對(duì)最好。

3.3不同拘束條件

（1）殘余應(yīng)力仿真分析

平板結(jié)構(gòu)共四種機(jī)械拘束，每種機(jī)械拘束下的殘余應(yīng)力分布情況如圖7所示。由圖可知，各方案下的殘余應(yīng)力均集中于焊縫及其附近區(qū)域，在四種機(jī)械拘束中，接觸拘束的殘余應(yīng)力值最小，其殘余應(yīng)力峰值為829.2MPa。

（2）變形仿真分析

平板結(jié)構(gòu)在四種機(jī)械拘束下的焊后變形分布情況如圖8所示。由圖可知，各方案下的變形分布明顯不同，其中三點(diǎn)拘束與全拘束的焊后變形均集中于焊縫區(qū)域，而彈簧拘束與接觸拘束的變形集中于焊件兩側(cè)。在四種機(jī)械拘束中，全拘束的焊后變形最小，其變形峰值為0.408mm。

 

4、結(jié)論

針對(duì)TC4鈦合金平板對(duì)接激光焊結(jié)構(gòu)，借助數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)焊接應(yīng)力、變形的演變情況進(jìn)行研究，獲得了不同工藝參數(shù)、不同焊接方向下、不同拘束條件下的焊接殘余應(yīng)力和變形分布規(guī)律。

（1）不同工藝參數(shù)對(duì)激光焊平板對(duì)接結(jié)構(gòu)的焊后殘余應(yīng)力影響不顯著，焊后殘余應(yīng)力主要是集中于焊縫及其附近區(qū)域；對(duì)焊后變形影響顯著，在宏觀上產(chǎn)生了角變形并呈現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)：激光功率越大，焊接速度越小，則焊后變形越大。

（2）不同焊接方向?qū)�激光焊平板�?duì)接結(jié)構(gòu)焊后殘余應(yīng)力、變形均無(wú)明顯影響，各方案下的殘余應(yīng)力均集中于焊縫及其附近區(qū)域。在焊接方向從一端到另一端情況下殘余應(yīng)力值最小、變形最小，焊接效果相對(duì)最好。

（3）不同機(jī)械拘束下對(duì)激光焊平板對(duì)接結(jié)構(gòu)焊后殘余應(yīng)力無(wú)明顯變化，均集中于焊縫及其附近區(qū)域，平板結(jié)構(gòu)在接觸拘束情況下殘余應(yīng)力值最小。三點(diǎn)拘束與全拘束的焊后變形均集中于焊縫區(qū)域，而彈簧拘束與接觸拘束的變形集中于焊件兩側(cè)，其中全拘束的焊后變形最小。

參考文獻(xiàn)

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[2]王紅陽(yáng)，張永操，祝美麗，等.2016.鈦合金T形結(jié)構(gòu)激光-電弧復(fù)合焊接成形工藝[J].電焊機(jī)，2016,46(3):14-18.

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[4]楊曉華，楊武林，兌衛(wèi)真，等.TC4鈦合金激光焊接頭微觀組織和硬度[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2014,35（10）:70-74.

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