基于ANSYS 的Ti2AlNb 鈦合金電子束焊接數(shù)值模擬

0 前 言

鈦合金作為工程領(lǐng)域的一種新型材料， 兼具鋼、 鋁等結(jié)構(gòu)材料的許多優(yōu)良性能， 并具有低密度、 高強(qiáng)度、 無(wú)磁性、 耐腐蝕的特點(diǎn)， 是非常重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料

。 目前， 材料研究人員已經(jīng)對(duì)鈦合金進(jìn)行了深入研究， 開發(fā)了數(shù)百種類型的鈦合金， 并廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。 為了減少原材料消耗， 減輕結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量， 焊接是一種可靠而有效的方法

， 其焊接方式有很多， 比如攪拌摩擦焊、 激光焊、 鎢極惰性氣體保護(hù)焊、 熔化極惰性氣體保護(hù)焊和電子束焊接等

， 其中電子束焊接的熱影響區(qū)較小， 同時(shí)焊接變形小， 焊接精度高

。 因此本研究采用ANSYS 有限元分析方法， 對(duì)電子束焊接的溫度場(chǎng)分布和焊接熱循環(huán)曲線進(jìn)行分析， 得出焊接時(shí)溫度場(chǎng)和熱循環(huán)曲線的分布規(guī)律， 確定最優(yōu)焊接參數(shù)， 為Ti

AlNb 鈦合金電子束焊接提供理論參考。

1 焊接溫度場(chǎng)模擬

本研究對(duì)Ti

AlNb 鈦合金電子束焊接過程的數(shù)值模擬分析進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。 將Ti

AlNb 鈦合金視為均勻連續(xù)介質(zhì)

， 且具有各向同性； 默認(rèn)焊前工件各處的溫度均為22 ℃； 熱量的傳導(dǎo)遵循熱傳導(dǎo)模型， 設(shè)置溫度場(chǎng)邊界條件為材料表面溫度與時(shí)間的變化關(guān)系； 焊接過程為真空環(huán)境。基于電子束焊接的特點(diǎn)， 選用雙橢球熱源模型，熱源沿深度方向?qū)讣M(jìn)行加熱， 急速升溫使接頭局部熔化蒸發(fā)， 形成 “匙孔”， 穿透材料， 最后焊縫凝固， 焊縫呈“釘” 形形貌， 此種方法能夠獲得較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

Ti

AlNb 鈦合金板材尺寸為70 mm×40 mm×3.5 mm， 如圖1 所示， 采用對(duì)接接頭。 熱循環(huán)曲線的參考點(diǎn)選取圖1 中a、 b、 c、 d、 e 處， 其與焊縫中心的距離分別為0 mm、 1 mm、 2 mm、 3 mm和4 mm。 為保證模擬精度， 本研究采用六面體、八節(jié)點(diǎn)劃分網(wǎng)格單元， 網(wǎng)格劃分如圖2 所示

。網(wǎng)格劃分后， 有限元網(wǎng)格模型包含56 000 個(gè)網(wǎng)格單元和57 105 個(gè)節(jié)點(diǎn)， 網(wǎng)格單元尺寸為0.5 mm×0.5 mm×0.7 mm。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 工藝參數(shù)選擇

電子束焊接過程中影響焊接接頭質(zhì)量的因素很多， 本研究主要通過改變電子束流以及焊接速度確定最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)。

2.2 焊接溫度場(chǎng)分析

利用ANSYS 軟件對(duì)Ti

AlNb 合金電子束焊接過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬， 分析焊接的瞬態(tài)溫度場(chǎng)， 并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析

。 圖3～圖6 為不同工藝參數(shù)下不同時(shí)刻電子束焊接溫度場(chǎng)云圖。

各參考點(diǎn)處不同工藝參數(shù)焊接熱循環(huán)曲線如圖8 所示， 由圖8 （a） 與圖8 （b） 可知， 焊接速度600 mm/min 時(shí)， 達(dá)到峰值溫度的時(shí)間7 s， 峰值溫度3 101.7 ℃； 焊接速度500 mm/min 時(shí)， 達(dá)到峰值溫度的時(shí)間9 s， 峰值溫度3 310.3 ℃。 由此可知， 改變焊接速度會(huì)導(dǎo)致升溫時(shí)間發(fā)生改變， 焊接速度越大， 達(dá)到峰值溫度的時(shí)間越快，峰值溫度值越小。

由圖8 （a） 與圖8 （c） 可知， 當(dāng)焊接速度為600 mm/min 時(shí)， 電子束流的大小會(huì)使峰值溫度發(fā)生變化， 電子束流值為40 mA 時(shí)， 峰值溫度為3 101.7 ℃； 電子束流值為35 mA 時(shí)， 峰值溫度為2 970.2 ℃， 且升溫至峰值溫度的時(shí)間均相同。 由此可見， 電子束流值越大， 峰值溫度越高， 但升溫至峰值溫度所用時(shí)間相同。

2.3 焊接熱循環(huán)曲線分析

試件的初始溫度為22 ℃， 隨著時(shí)間的推移，焊接溫度逐漸增大， 設(shè)置加速電壓為60 kV， 聚焦電流為380 mA； 當(dāng)焊接速度為600 mm/min、且電子束流由35 mA 增加至40 mA 時(shí)， 峰值溫度由2 970.2 ℃上升至3 101.7 ℃， 達(dá)到峰值溫度的時(shí)間為7 s； 當(dāng)焊接速度為500 mm/min、 且電子束流由35 mA 增加至40 mA 時(shí)， 峰值溫度由3 035.4 ℃上升至3 310.3 ℃， 熔池金屬發(fā)生氣化， 達(dá)到峰值溫度的時(shí)間為9 s； 保持電子束流的值不變， 當(dāng)焊接速度由500 mm/min 上升至600 mm/min 時(shí)， 達(dá)到峰值溫度的時(shí)間由9 s 減少至7 s。

一九四二年四月，美軍杜立特率領(lǐng)特別飛行中隊(duì)從大黃蜂號(hào)航母上起飛，轟炸了東京、名古屋，這下可捅了馬蜂窩。鬼子判斷轟炸本土的16架轟炸機(jī)是從衢州、麗水一帶的機(jī)場(chǎng)起飛的，決定摧毀這些空軍基地，于是爆發(fā)了“浙贛會(huì)戰(zhàn)”。

聚合物保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)低，屬于無(wú)機(jī)非金屬保溫材料[5]。砂漿硬化后抗壓強(qiáng)度高，拉伸粘接強(qiáng)度高于普通水泥砂漿，不易產(chǎn)生變形，與大氣環(huán)境接觸時(shí)具有較好的耐候性和耐久性。試驗(yàn)用聚合物砂漿的組成材料為：P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、中砂、纖維素、聚丙烯纖維、膠粉、水。聚合物砂漿設(shè)計(jì)配合比如表2所示。

不同工藝參數(shù)下熔池形貌如圖7 所示， 圖7中紅色區(qū)域?yàn)楹附尤鄢兀?當(dāng)溫度達(dá)到Ti

AlNb 合金的熔點(diǎn)1 690 ℃時(shí)， 由圖7 可計(jì)算出熔池的寬度以及深度， 結(jié)果見表1。 由表1 可知， 焊接速度越小， 熔深越大， 熔寬增加17%； 電子束流越大， 熔深增加22%， 熔寬增加10%。 當(dāng)焊接速度為500 mm/min 時(shí)， 焊縫焊透； 當(dāng)焊接速度為600 mm/min 時(shí)， 焊縫未焊透。 為使工件充分熔透， 應(yīng)選擇電子束流為35 mA、 焊接速度為600 mm/min 的焊接工藝參數(shù)。

Ti-22Al-25Nb 合金穩(wěn)定相圖如圖9

所示，由圖8 （c） 及圖9 可知， 在加熱瞬間， 焊縫處溫度達(dá)到了熔點(diǎn)1 690 ℃， 組織由室溫組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷氐摩?B2 相， 隨后又轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w組織，直至轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)組織； 當(dāng)距焊縫中心3 mm 時(shí)，溫度約為869.94 ℃， 達(dá)到860 ℃相變點(diǎn)， 其中一部分焊縫組織會(huì)發(fā)生相變并處于B2+α

+O 相；距焊縫中心4 mm 時(shí)， 溫度約為707.99 ℃， 其中一部分焊縫組織發(fā)生相變并處于B2+O 相。 對(duì)于焊縫熔池， 在快速冷卻過程中， 首先由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?B2 相， 最后再轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌唷?/p>

由上可知， 改變電子束流值或者焊接速度均會(huì)引起焊接熱循環(huán)的峰值溫度發(fā)生變化， 改變焊接速度時(shí)， 其達(dá)到峰值溫度的時(shí)間也會(huì)發(fā)生變化。

農(nóng)村公路網(wǎng)規(guī)劃是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，需要統(tǒng)籌考慮，兼顧各方面的影響因素. 本文研究認(rèn)為基于城市副中心背景下農(nóng)村公路不再僅僅作為鄉(xiāng)鎮(zhèn)、行政村的運(yùn)輸、集散通道而存在，面對(duì)新形勢(shì)下的新問題，應(yīng)該從以下4個(gè)方面來(lái)考慮.

由圖8 （c） 可知， 距焊縫中心0 mm （a 點(diǎn)）、1 mm （b 點(diǎn)）、 2 mm （c 點(diǎn)）、 3 mm （d 點(diǎn)）、 4 mm（e 點(diǎn)） 的峰值溫度情況分別為2 970.2 ℃、 1 696 ℃、1 119.4 ℃、 869.94 ℃、 707.99 ℃。 在雙橢球熱源加載下， a 點(diǎn)溫度迅速升高至峰值， 隨著熱源移動(dòng)， a 點(diǎn)溫度迅速降低。 這是由于熱源發(fā)生移動(dòng)，且在熱源移動(dòng)的地方金屬不斷熔化形成熔池， 液態(tài)金屬黏度較低， 在反蒸發(fā)力、 表面張力、 浮力和重力作用下， 熔池對(duì)流劇烈， 傳熱較為迅速

， 而其他點(diǎn)偏離焊縫中心較遠(yuǎn)， 其峰值溫度均低于a 點(diǎn)。

小學(xué)生由于受到了年齡的局限性，使其的理解能力、認(rèn)知水平都存在著較強(qiáng)的限制，當(dāng)其在閱讀文章內(nèi)容時(shí)經(jīng)常會(huì)處在表面形式上，很難對(duì)文章的內(nèi)涵有更加深入、深化的理解，對(duì)其閱讀效果的提高產(chǎn)生了非常不利的影響。因此，在閱讀教學(xué)中，教師也應(yīng)積極的改善這一現(xiàn)狀，以生本理念為導(dǎo)向，致力于教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)，使學(xué)生在實(shí)際情境中深化對(duì)文章內(nèi)容的理解，使其收獲更多。

3 結(jié) 論

（1） 采用ANSYS 軟件對(duì)壁厚為3.5 mm 的Ti

AlNb 鈦合金電子束焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過分析焊接接頭截面溫度場(chǎng)云圖以及熔深和熔寬可知， 焊接速度越小， 熔深越大， 熔寬也越大； 電子束流值越大， 熔深與熔寬均增大。

（2） 根據(jù)雙橢球熱源下電子束焊接熱循環(huán)曲線分析結(jié)果可知， 焊縫中心溫度最高， 并且電子束流值越大， 峰值溫度越大； 焊接速度越快， 峰值溫度值越小， 且升溫至峰值溫度的時(shí)間越短。

（3） 基于3.5 mm 厚的Ti

AlNb 鈦合金電子束焊接數(shù)值模擬分析結(jié)果， 建議其焊接工藝參數(shù)為： 加速電壓60 kV、 電子束流值35 mA、 聚焦電流380 mA、 焊接速度600 mm/min。

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