激光－TIG復合焊接溫度場和應力場的有限元分析

趙宇宏 ，歐陽自鵬 ，胡佩佩 ，李國鈞，趙 峰

（1.總裝備部南京軍事代表局駐上海地區軍事代表室，上海 201109；2.上海航天精密機械研究所，上海 201600；3.中國人民解放軍駐上海無線電設備研究所軍事代表室，上海 200233）

0 引言

激光－TIG復合焊接時激光束和TIG焊接兩種熱源同時作用于工件同一位置，使入射激光束的反射率顯著降低，TIG電弧更為穩定和集中，是相互彌補各自不足的一種高效焊接方法。在激光－電弧復合焊接中，一方面激光對電弧有極大的增強作用，激光在熔池上方形成的等離子體可為電弧提供導電通路，該導電通路能吸收并壓縮電弧，有效減少電弧飄逸，大幅提升能源利用率，增加熔深，利于穩弧；另一方面位于激光束前方的電弧對金屬有一定的預熱作用，能降低金屬對激光的反射，提高金屬對激光的吸收利用［1－3］。

采用數值仿真技術對焊接中的熱過程和殘余應力變形進行預測是一種簡單高效的研究辦法，但目前國內外關于激光－電弧復合焊接的傳熱數值仿真研究還較少。陳彥賓等建立了激光－TIG復合焊接熱源模型，用點、線組合熱源模擬激光束的加熱作用，以面熱源模擬TIG焊接熱源研究了復合焊接的熱效率，結果表明復合焊接的熱效率并非兩種熱源的單純疊加［4－5］。文獻［6、7］對鎂合金AZ31B的激光復合熱源焊接溫度場、焊縫斷面形狀數值模擬進行了研究，結果證實了復合熱源焊接高速、能量增強和熱影響區窄等特點。上述研究采用組合熱源的方式模擬復合焊接時的熱輸入，實際上TIG焊接本身作用區域較大，面熱源并不能完全反映焊接過程中的熱作用。對激光深熔焊來說，為模擬“釘頭狀”焊縫，應采用與激光加熱模式較接近并廣泛使用的旋轉高斯曲面體和深度方向上線性衰減等熱源模型［8－9］。

本文用旋轉高斯曲面體模擬激光束的加熱作用、雙橢球熱源模擬TIG焊接熱源，對兩種熱源單獨作用和共同作用下的溫度場進行了仿真模擬，并驗證了不同熱源間距條件下TC4復合焊接工藝試驗計算模型的正確性。

1 激光－TIG復合焊接模型

1.1 激光－TIG復合焊接熱源模型

考慮激光深熔焊接的匙孔效應，用旋轉高斯曲面體熱源模型模擬激光束的加熱作用，其實質是一系列平面高斯熱源沿焊件厚度方向疊加，而每個截面上的熱流分布半徑呈指數衰減，熱流密度在Z軸（激光束中心線）上保持不變［8］。即

式中：q（x，y，z）為點（x，y，z）處的熱流密度值；H0為體熱源的高度；Q1為激光束有效功率；cs為熱源形狀集中系數，且cs＝3／（R0）2。此處：R0為熱源的最大開口半徑。

TIG焊接過程中，熔池形態近似于前后不對稱的橢球狀。與熱源后半部相比，熱源前半部的能量較集中，溫度梯度較大，溫度分布區間較小。因此，本文用兩個半軸不同的1／4橢球模型模擬焊接熔池內部的熱流分布。

1.2 材料物理性能參數

金屬材料的物理性能參數都隨溫度呈非線性變化，而焊接過程中材料溫度變化非常劇烈。本文研究的材料為TC4，設材料為各向同性，密度ρ＝4.45g／cm3，物理性能參數見表1、2。對高溫性能的參數，采用外推法或將高溫性能參數設置為已知最高溫度的性能值。

1.3 激光－TIG焊接物理模型

研究對象為TC4鈦合金平板對焊，試板尺寸50mm×40mm×3mm。因焊接過程中加熱極不均勻，在焊縫處溫度梯度變化很大，故在焊縫及其附近部分采用加密網格，在遠離焊縫區域采用相對稀疏的單元網格。網格劃分如圖1所示，單元總數16 896，節點數19 503。因網格數較多，采用手工過渡以獲得質量較好的六面體網格。

根據實驗確定激光功率為2.5kW，取TIG焊接功率3.0kW；一般激光深熔焊接的熱效率大于0.8，本文取0.8；TIG焊接的熱效率為0.68～0.85，本文取0.7；激光－TIG復合焊接速度v＝1.5m／min。計算模型是在MSC.MARC計算平臺上實現，該軟件內置雙橢球熱源模型，另外采用用戶子程序FLUX的格式，實現對高斯旋轉曲面體熱源的加載和控制。

表1 TC4的機械性能參數Tab.1 Mechanical property parameters of TC4alloy

表2 TC4的熱物理性能參數Tab.2 Thermal property parameters of TC4alloy

圖1 平板焊接模型網格劃分Fig.1 Gird of plate wedding model

1.4 初始條件與邊界條件

令整個模型初始溫度為室溫20℃。用總換熱系數模擬對流和輻射換熱。為模擬自由焊接時的殘余應力和變形，并保證模型不發生剛性位移，在焊接起始位置的節點O上施加X，Y，Z三個方向的約束，同時約束焊縫中心對稱截面上的X向和焊縫兩端的Z方向，使之不轉動。

2 結果及分析

2.1 TC4鈦合金不同焊接方式比較

用本文建立的模型，對TC4鈦合金激光焊、TIG焊、激光－TIG焊溫度場分布進行計算，并采集了不同熱源作用下焊縫上表面的熱循環曲線，其溫度場分布如圖2所示，焊縫上表面的熱循環如圖3所示。

圖2 TC4鈦合金焊接溫度場分布Fig.2 Temperature field distribution of TC4alloy wedding

由計算結果可知：TIG焊單獨焊接時，工件的最高溫度約2 800℃，超過了TC4的熔點（約1 650℃），形成橢球狀熔池，但其熔深較小，并不能完全使工件焊透；激光束作用下，工件的最高溫度可達3 400℃，超過了鈦合金的沸點（約3 200℃），形成匙孔。熔寬及熱影響區均小于TIG焊接，且焊縫的深寬比較大；在激光束和TIG電弧的共同作用下，材料的大部分溫度處于熔點和沸點以上，表明焊接熱效率明顯增加。可適當提高焊接速度，實現高速焊接。復合焊接形成的匙孔尺寸大于單獨激光焊接，這是因為TIG電弧加熱并融化金屬表面，增加了激光焊接用于形成匙孔的能量。

2.2 TC4鈦合金復合焊接殘余應力模擬

通過有限元軟件采用熱機耦合方法對TIG焊、激光焊、激光－TIG復合焊接過程中工件的殘余應力進行了數值模擬。激光－TIG復合焊接冷卻結束后工件殘余應力場分布如圖4所示，三種不同焊接方法工件縱向殘余應力的計算結果如圖5所示。

圖3 TC4鈦合金激光焊、TIG焊、激光－TIG焊焊縫上表面熱循環Fig.3 Thermal cycle of up－surface of laser welding，TIG welding and laser－TIG hybrid welding

圖4 冷卻結束后工件殘余應力場分布Fig.4 Residual stress field distribution in part after cooling

圖5 不同焊接方式下工件縱向殘余應力分布Fig.5 Longitudinal residual stress field distribution of various weddings

由圖4可知：焊接冷卻結束后，焊接起始和結束處的殘余應力最大，且均以拉應力為主。由圖5可知：鈦合金三種不同焊接方法的焊接殘余應力分布規律相似，焊接殘余應力均以縱向殘余應力為主。在熱影響區，三種焊接方法的殘余應力分布接近，在焊縫及其熔合線上，均為焊縫冷卻收縮引起的拉伸應力，但激光焊接殘余應力的拉伸應力最大，為617MPa，拉伸區域分布最窄；激光－TIG復合焊接的拉伸應力峰值最小，約462 MPa，其拉伸區域分布寬度最大。研究證實，對鈦合金的高能束焊接（激光焊接和電子束焊接），焊縫及近縫區的殘余應力并不低于傳統熔化焊方法［10］。這是因為：首先焊接殘余應力是工件內部由受熱不均產生的內應力，拉應力和壓應力在同一構件中相互平衡，但由于激光焊接的拉應力區域是以上三種焊接方法中最窄的，而壓應力分布區間與TIG焊接相當，故僅當縱向殘余應力的峰值高于TIG焊時才可能保持結構平衡。其次，激光焊接的塑性變形區域窄，塑性區越窄，殘余應力峰值就越高［11］。拉伸塑性應變最大值在熔合線處，此處的殘余拉應力也最大。

2.3 計算結果驗證

用與計算過程相同的工藝參數對厚度3mm的TC4鈦合金板進行了焊接試驗，用小孔釋放法測試焊接工件的殘余應力。焊接變形的有限元分析結果如圖6所示，TC4鈦合金激光焊接殘余應力的測試值與有限元分析結果如圖7所示。

圖6 冷卻結束后工件變形Fig.6 Part deformation after cooling

圖7 冷卻結束后工件殘余應力沿焊縫橫截面分布Fig.7 Residual stress field distribution along intersecting surface in part after cooling

結果表明：自由焊接時，工件發生較明顯的橫向和縱向收縮變形，焊接中心位置處尤為明顯；應力的測試值與有限元分析結果吻合較好。存在的誤差，分析后認為主要是計算條件限制導致的計算精度與實驗誤差，另外計算模型中采用的約束邊界條件與實際焊接及冷卻過程中的約束存在差異。

3 結論

本文對激光－TIG復合焊接溫度場和應力場的有限元分析進行了研究。建立了激光－等離子弧復合焊接有限元模型，比較了激光焊、TIG焊接、激光－TIG復合焊接的熔池形狀和熱循環過程，發現激光－TIG復合焊接能提高熱源利用效率，有最大的熔寬和熔深；TC4鈦合金激光焊接在焊縫和熔合線附近產生高縱向殘余應力，而橫向殘余應力很小，焊接起始與結束位置的殘余應力最大；TC4鈦合金激光焊接和TIG焊接殘余應力的分布規律相似，激光－TIG復合焊接焊縫上的殘余應力峰值較小，約為460MPa，但其分布其較寬。

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