付 康

(黃山學(xué)院 機電工程學(xué)院，安徽 黃山 245041)

鈦合金憑借其高強度且低質(zhì)量，耐高溫的性能特點在航空工業(yè)中應(yīng)用廣泛[1-3]，尤其是在一些航空航天設(shè)備的水電、液壓管路制造中，鈦合金圓管更是起到了至關(guān)重要的作用[4-6]。激光焊接作為一種高效、可靠的特種焊接方法被廣泛的應(yīng)用于鈦合金圓管連接工藝中以取代傳統(tǒng)的機械及塑性變形連接方式[7]。激光焊接工藝參數(shù)設(shè)置對圓管連接質(zhì)量好壞具有直接影響，為了獲得可靠工作的管路系統(tǒng)，研究激光焊接工藝參數(shù)尤其是激光功率對圓管拼焊質(zhì)量的影響規(guī)律就顯得尤為重要[8]。針對TC4鈦合金圓管對接激光焊質(zhì)量控制的相關(guān)研究還比較少見。因此，本文針對薄壁圓管對接焊過程進行模擬計算，分析激光功率對溫度場及熔池尺寸的影響規(guī)律，以期為實際生產(chǎn)提供工藝指導(dǎo)。

1 有限元模型

1.1 網(wǎng)格劃分

鈦合金圓管是兩段長160mm的圓管對接焊組成，直徑是75mm，壁厚是1mm，圓管網(wǎng)格模型如圖1所示。為同時滿足計算準確性和節(jié)約計算時間，遠離環(huán)焊縫位置的方向上網(wǎng)格劃分逐漸稀疏，在環(huán)焊縫區(qū)域的網(wǎng)格劃分最為密集。網(wǎng)格模型共有節(jié)點43621個，單元28200個。

圖1 網(wǎng)格劃分模型

1.2 材料參數(shù)

TC4鈦合金是雙相α+β相合金，具有良好的綜合性能，其化學(xué)成分如表1所示[9]。

表1 材料化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

焊接過程中材料密度及熔點隨溫度的升高變化不大，取常溫下的數(shù)值，查閱相關(guān)材料手冊得到密度4450kg/m3，熔點1650℃[10]。在建立數(shù)值模型時其余熱物理性能參數(shù)均設(shè)為隨溫度變化[11]。

1.3 控制方程

溫度場的數(shù)值模擬計算屬于典型的三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題，計算遵循的熱傳導(dǎo)微分方程如式(1)所示[12]。

(1)

上式T，c，t，k，ρ分別代表溫度、比熱、時間、熱傳導(dǎo)系數(shù)及密度，a是熱擴散系數(shù)。

1.4 焊接熱源

由于圓管壁厚較薄，屬熱導(dǎo)激光焊，故焊接熱源選用平面高斯熱源模型如圖2所示，激光熱流密度在圖形光斑區(qū)域內(nèi)呈高斯分布，接近真實激光熱源熱流分布。

圖2 面熱源模型

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 焊接溫度場

焊接過程中焊接溫度場的分布可以直觀表達不同區(qū)域焊接材料溫度隨時間變化的不均勻性，圖3為激光功率870w，焊接速度3.7mm/s時不同時刻溫度場。

(a)t=1s (b)t=30s

圖3(a)為激光光斑處于環(huán)焊縫的起點位置即焊接開始時刻溫度場。由于此時待焊材料仍處于室溫，作用于焊件表面的激光光斑能量一部分由于熱傳導(dǎo)作用而散失；另一部分才被材料吸收使其熔化，初步形成焊接熔池，焊接未達到準穩(wěn)態(tài)，此時光斑中心最高溫度2588℃低于后續(xù)達到準穩(wěn)態(tài)焊接時的最高溫度。圖3(b)為激光光斑到達環(huán)焊縫中點時的溫度場，焊接過程達到一個準穩(wěn)態(tài)。此時等溫線呈橢圓形，熱源前沿溫度梯度大，后沿溫度梯度小，最高溫度超過材料熔點，表明了數(shù)值模型建立的準確性。圖3(c)為焊接結(jié)束時刻溫度場，激光光斑行走至環(huán)焊縫的終點位置即焊接起點位置處，此時光斑中心的最高溫度為3009℃，高于先前焊接達準穩(wěn)態(tài)時刻的最高溫度。這是由于焊接結(jié)束時刻熱源停止前移而先前焊接熱源帶來的熱量繼續(xù)向前傳導(dǎo)而使該位置熱量累積所導(dǎo)致。圖3(d)為焊后在空氣中經(jīng)過一段時間冷卻，圓管通過與周圍空氣對流換熱溫度降至室溫20℃，焊接過程結(jié)束。

選取環(huán)焊縫的焊接路徑上某一節(jié)點及在該節(jié)點一側(cè)沿著與焊接路徑垂直方向上不同距離的4個節(jié)點，制得此5個節(jié)點的溫度變化曲線，如圖4所示。由圖4(b)可知，焊接熱源未到達焊接路徑上的節(jié)點位置且距離較遠時，所有節(jié)點溫度均為室溫20℃；當熱源不斷接近直至到達焊接路徑上節(jié)點a的位置時，所有節(jié)點溫度均迅速升高，a節(jié)點溫度上升最快，其峰值溫度到來的最早且峰值溫度最高；其余距離焊接路徑越近位置的節(jié)點溫度升高的越快即達到峰值溫度所需時間越短且后續(xù)其峰值溫度越高；當光斑離開節(jié)點a后，按照距離節(jié)點a由近到遠，其余各節(jié)點峰值溫度先后來臨，而后各節(jié)點溫度迅速下降且距離焊接路徑越遠溫度下降速度越慢，最后各節(jié)點溫度均重新冷卻至室溫。

(a)節(jié)點位置 (b)熱循環(huán)曲線

為進一步分析熔池形狀及尺寸，截取了焊接到達準穩(wěn)態(tài)時局部溫度場云圖并制得了瞬態(tài)溫度分布曲線。利用求交點法獲得熔池寬度的精確尺寸，如圖5所示。

(a)熔池橫截面 (b)節(jié)點溫度分布

由圖5(a)可知，熔池最高溫度達到2960℃，遠高于材料熔點，實際焊接時熔池上表面材料部分蒸發(fā)。同時，熔池底部溫度亦超過材料的熔點，表明圓管此時已被焊透，熔池形狀接近為倒置的圓臺形。由圖5(b)根據(jù)溫度分布與材料熔點的交點橫坐標可得在該工藝參數(shù)下數(shù)值模擬得到的熔池寬度為3.6mm，與焊接試驗得到焊縫熔寬3.4mm數(shù)值接近，誤差僅為5.88%，證明了數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。

2.2 激光功率對溫度場的影響

在保持焊接速度不變的情況下設(shè)置激光功率由小到大分別是645w、720w、795w、870w及945w，根據(jù)仿真計算結(jié)果獲得了熔池區(qū)域最大溫度及熔池寬度隨激光功率大小的變化曲線如圖6所示。

(a)熔池最高溫度 (b)熔寬

由圖6可知，隨著激光功率的增加熔池的最高溫度及熔寬均顯著增加，且增幅均逐漸變緩。這是因為當激光功率大到一定程度時，由于焊接溫度場和外界熱量交換過程達到一個動態(tài)的平衡以及激光能量受光斑尺寸的限制所導(dǎo)致；另外，當激光功率較高時，最高溫度增加的放緩趨勢明顯強于熔寬。這是由于激光光斑能量直接作用于材料表面，所帶來的直接結(jié)果就是材料表面溫度迅速增加。但熔池的形成需要熱源熱量向四周的材料傳導(dǎo)累積熱能然后熔化材料，這個過程需要時間，因此有一定的遲滯，所以熔池尺寸對激光功率的增加敏感程度稍弱?？傮w來看，當激光功率處于720w至870w時，熔池最高溫度介于2303℃至2960℃之間，均超過材料熔點，而熔寬介于2.3mm至3.6mm。在此功率區(qū)間內(nèi)，溫度場對激光功率的變化反應(yīng)較為靈敏，有利于準確控制焊縫質(zhì)量，是較為合適的功率范圍。在相同焊接工藝參數(shù)下進行焊接試驗，測量得到焊縫寬度尺寸介于2.1mm至3.4mm，與數(shù)值模擬結(jié)果接近，誤差小于10%，證明了上述最優(yōu)激光功率范圍的準確性。

3 結(jié)論

(1)針對TC4鈦合金薄壁圓管對接激光焊，采用高斯平面熱源模型，設(shè)置合理的邊界條件可以有效的模擬出焊接溫度場變化過程。

(2)激光功率為870w時，焊接初始時刻熔池溫度2588℃低于焊接達準穩(wěn)態(tài)時的2960℃，焊接終了時刻由于熱量的累積熔池溫度達到3009℃。穩(wěn)態(tài)焊接時圓管內(nèi)表面及外表面溫度均超過材料熔點，圓管被焊透，熔池的形狀接近為倒置的圓臺形，熔池寬度為3.6m。

(3)結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及焊接試驗，在焊接速度為3.7mm/s，激光功率720w至870w時，熔池寬度介于2.3mm至3.6mm，溫度場對激光功率的變化較為敏感，焊接質(zhì)量易于控制，可獲得質(zhì)量良好的焊縫。