激光－TIG复合焊接温度场和应力场的有限元分析

赵宇宏 ，欧阳自鹏 ，胡佩佩 ，李国钧，赵 峰

（1.总装备部南京军事代表局驻上海地区军事代表室，上海 201109；2.上海航天精密机械研究所，上海 201600；3.中国人民解放军驻上海无线电设备研究所军事代表室，上海 200233）

0 引言

激光－TIG复合焊接时激光束和TIG焊接两种热源同时作用于工件同一位置，使入射激光束的反射率显著降低，TIG电弧更为稳定和集中，是相互弥补各自不足的一种高效焊接方法。在激光－电弧复合焊接中，一方面激光对电弧有极大的增强作用，激光在熔池上方形成的等离子体可为电弧提供导电通路，该导电通路能吸收并压缩电弧，有效减少电弧飘逸，大幅提升能源利用率，增加熔深，利于稳弧；另一方面位于激光束前方的电弧对金属有一定的预热作用，能降低金属对激光的反射，提高金属对激光的吸收利用［1－3］。

采用数值仿真技术对焊接中的热过程和残余应力变形进行预测是一种简单高效的研究办法，但目前国内外关于激光－电弧复合焊接的传热数值仿真研究还较少。陈彦宾等建立了激光－TIG复合焊接热源模型，用点、线组合热源模拟激光束的加热作用，以面热源模拟TIG焊接热源研究了复合焊接的热效率，结果表明复合焊接的热效率并非两种热源的单纯叠加［4－5］。文献［6、7］对镁合金AZ31B的激光复合热源焊接温度场、焊缝断面形状数值模拟进行了研究，结果证实了复合热源焊接高速、能量增强和热影响区窄等特点。上述研究采用组合热源的方式模拟复合焊接时的热输入，实际上TIG焊接本身作用区域较大，面热源并不能完全反映焊接过程中的热作用。对激光深熔焊来说，为模拟“钉头状”焊缝，应采用与激光加热模式较接近并广泛使用的旋转高斯曲面体和深度方向上线性衰减等热源模型［8－9］。

本文用旋转高斯曲面体模拟激光束的加热作用、双椭球热源模拟TIG焊接热源，对两种热源单独作用和共同作用下的温度场进行了仿真模拟，并验证了不同热源间距条件下TC4复合焊接工艺试验计算模型的正确性。

1 激光－TIG复合焊接模型

1.1 激光－TIG复合焊接热源模型

考虑激光深熔焊接的匙孔效应，用旋转高斯曲面体热源模型模拟激光束的加热作用，其实质是一系列平面高斯热源沿焊件厚度方向叠加，而每个截面上的热流分布半径呈指数衰减，热流密度在Z轴（激光束中心线）上保持不变［8］。即

式中：q（x，y，z）为点（x，y，z）处的热流密度值；H0为体热源的高度；Q1为激光束有效功率；cs为热源形状集中系数，且cs＝3／（R0）2。此处：R0为热源的最大开口半径。

TIG焊接过程中，熔池形态近似于前后不对称的椭球状。与热源后半部相比，热源前半部的能量较集中，温度梯度较大，温度分布区间较小。因此，本文用两个半轴不同的1／4椭球模型模拟焊接熔池内部的热流分布。

1.2 材料物理性能参数

金属材料的物理性能参数都随温度呈非线性变化，而焊接过程中材料温度变化非常剧烈。本文研究的材料为TC4，设材料为各向同性，密度ρ＝4.45g／cm3，物理性能参数见表1、2。对高温性能的参数，采用外推法或将高温性能参数设置为已知最高温度的性能值。

1.3 激光－TIG焊接物理模型

研究对象为TC4钛合金平板对焊，试板尺寸50mm×40mm×3mm。因焊接过程中加热极不均匀，在焊缝处温度梯度变化很大，故在焊缝及其附近部分采用加密网格，在远离焊缝区域采用相对稀疏的单元网格。网格划分如图1所示，单元总数16 896，节点数19 503。因网格数较多，采用手工过渡以获得质量较好的六面体网格。

根据实验确定激光功率为2.5kW，取TIG焊接功率3.0kW；一般激光深熔焊接的热效率大于0.8，本文取0.8；TIG焊接的热效率为0.68～0.85，本文取0.7；激光－TIG复合焊接速度v＝1.5m／min。计算模型是在MSC.MARC计算平台上实现，该软件内置双椭球热源模型，另外采用用户子程序FLUX的格式，实现对高斯旋转曲面体热源的加载和控制。

表1 TC4的机械性能参数Tab.1 Mechanical property parameters of TC4alloy

表2 TC4的热物理性能参数Tab.2 Thermal property parameters of TC4alloy

图1 平板焊接模型网格划分Fig.1 Gird of plate wedding model

1.4 初始条件与边界条件

令整个模型初始温度为室温20℃。用总换热系数模拟对流和辐射换热。为模拟自由焊接时的残余应力和变形，并保证模型不发生刚性位移，在焊接起始位置的节点O上施加X，Y，Z三个方向的约束，同时约束焊缝中心对称截面上的X向和焊缝两端的Z方向，使之不转动。

2 结果及分析

2.1 TC4钛合金不同焊接方式比较

用本文建立的模型，对TC4钛合金激光焊、TIG焊、激光－TIG焊温度场分布进行计算，并采集了不同热源作用下焊缝上表面的热循环曲线，其温度场分布如图2所示，焊缝上表面的热循环如图3所示。

图2 TC4钛合金焊接温度场分布Fig.2 Temperature field distribution of TC4alloy wedding

由计算结果可知：TIG焊单独焊接时，工件的最高温度约2 800℃，超过了TC4的熔点（约1 650℃），形成椭球状熔池，但其熔深较小，并不能完全使工件焊透；激光束作用下，工件的最高温度可达3 400℃，超过了钛合金的沸点（约3 200℃），形成匙孔。熔宽及热影响区均小于TIG焊接，且焊缝的深宽比较大；在激光束和TIG电弧的共同作用下，材料的大部分温度处于熔点和沸点以上，表明焊接热效率明显增加。可适当提高焊接速度，实现高速焊接。复合焊接形成的匙孔尺寸大于单独激光焊接，这是因为TIG电弧加热并融化金属表面，增加了激光焊接用于形成匙孔的能量。

2.2 TC4钛合金复合焊接残余应力模拟

通过有限元软件采用热机耦合方法对TIG焊、激光焊、激光－TIG复合焊接过程中工件的残余应力进行了数值模拟。激光－TIG复合焊接冷却结束后工件残余应力场分布如图4所示，三种不同焊接方法工件纵向残余应力的计算结果如图5所示。

图3 TC4钛合金激光焊、TIG焊、激光－TIG焊焊缝上表面热循环Fig.3 Thermal cycle of up－surface of laser welding，TIG welding and laser－TIG hybrid welding

图4 冷却结束后工件残余应力场分布Fig.4 Residual stress field distribution in part after cooling

图5 不同焊接方式下工件纵向残余应力分布Fig.5 Longitudinal residual stress field distribution of various weddings

由图4可知：焊接冷却结束后，焊接起始和结束处的残余应力最大，且均以拉应力为主。由图5可知：钛合金三种不同焊接方法的焊接残余应力分布规律相似，焊接残余应力均以纵向残余应力为主。在热影响区，三种焊接方法的残余应力分布接近，在焊缝及其熔合线上，均为焊缝冷却收缩引起的拉伸应力，但激光焊接残余应力的拉伸应力最大，为617MPa，拉伸区域分布最窄；激光－TIG复合焊接的拉伸应力峰值最小，约462 MPa，其拉伸区域分布宽度最大。研究证实，对钛合金的高能束焊接（激光焊接和电子束焊接），焊缝及近缝区的残余应力并不低于传统熔化焊方法［10］。这是因为：首先焊接残余应力是工件内部由受热不均产生的内应力，拉应力和压应力在同一构件中相互平衡，但由于激光焊接的拉应力区域是以上三种焊接方法中最窄的，而压应力分布区间与TIG焊接相当，故仅当纵向残余应力的峰值高于TIG焊时才可能保持结构平衡。其次，激光焊接的塑性变形区域窄，塑性区越窄，残余应力峰值就越高［11］。拉伸塑性应变最大值在熔合线处，此处的残余拉应力也最大。

2.3 计算结果验证

用与计算过程相同的工艺参数对厚度3mm的TC4钛合金板进行了焊接试验，用小孔释放法测试焊接工件的残余应力。焊接变形的有限元分析结果如图6所示，TC4钛合金激光焊接残余应力的测试值与有限元分析结果如图7所示。

图6 冷却结束后工件变形Fig.6 Part deformation after cooling

图7 冷却结束后工件残余应力沿焊缝横截面分布Fig.7 Residual stress field distribution along intersecting surface in part after cooling

结果表明：自由焊接时，工件发生较明显的横向和纵向收缩变形，焊接中心位置处尤为明显；应力的测试值与有限元分析结果吻合较好。存在的误差，分析后认为主要是计算条件限制导致的计算精度与实验误差，另外计算模型中采用的约束边界条件与实际焊接及冷却过程中的约束存在差异。

3 结论

本文对激光－TIG复合焊接温度场和应力场的有限元分析进行了研究。建立了激光－等离子弧复合焊接有限元模型，比较了激光焊、TIG焊接、激光－TIG复合焊接的熔池形状和热循环过程，发现激光－TIG复合焊接能提高热源利用效率，有最大的熔宽和熔深；TC4钛合金激光焊接在焊缝和熔合线附近产生高纵向残余应力，而横向残余应力很小，焊接起始与结束位置的残余应力最大；TC4钛合金激光焊接和TIG焊接残余应力的分布规律相似，激光－TIG复合焊接焊缝上的残余应力峰值较小，约为460MPa，但其分布其较宽。

［1］张寰臻，吴世凯，肖荣诗.TIG电弧对高功率CO2激光光束特性的影响［J］.焊接学报，2009，30（7）：29－32.

［2］张绍彬，赵家瑞.焊接电弧与激光相互作用机理的研究［J］.焊接技术，1991，28（4）：6－8.

［3］郭院波，单 平，胡绳荪.激光－电弧复合热源［J］.电焊机，2003，33（6）：1－3.

［4］苗玉刚.铝合金激光－TIG双面焊接特性与能量作用机制研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

［5］陈彦宾，李俐群，方俊飞，等.Temperature field simulation of laser－TIG hybrid welding［J］.China Welding，2003，11（1）：64－68.

［6］黄瑞生，刘黎明，迟鸣声.镁合金激光－TIG焊接温度场的红外测量与数值模拟［J］.焊接学报，2006，27（10）：89－93.

［7］刘黎明，迟鸣声，宋 刚，等.镁合金激光－TIG复合热源焊接热源模型的建立及其数值模拟［J］.机械工程学报，2006，42（2）：82－86.

［8］吴 甦，赵海燕，王 煜，等.高能束焊接数值模拟中的新型热源模型［J］.焊接学报，2004，25（1）：91－94.

［9］武传松.焊接热过程与熔池形态［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［10］刘 敏，陈士煊，陈 勇，等.钛合金电子束焊接应力分析的有限元模型［J］.焊接学报，2004，25（6）：62－65.

［11］中国机械工程学会焊接学会.焊接手册［M］.北京：机械工业出版社，1992：64.