钛钢异种材料激光焊接的温度场分布研究

胡小红,王玉玲,许杨

(青岛理工大学机械工程学院，山东青岛 266033)



钛钢异种材料激光焊接的温度场分布研究

胡小红,王玉玲,许杨

(青岛理工大学机械工程学院，山东青岛 266033)

摘要：基于ANSYS有限元分析,利用高斯移动热源,针对钛合金与不锈钢两种属性不同的材料，通过数值模拟研究激光焊接时偏焦量的变化对温度场的影响。分析不同偏焦量下钛钢两侧温度分布情况及其变化规律。通过模拟分析得出：钛钢异种材料激光焊接偏焦量偏离钢侧的距离不应超过0.7 mm，最佳偏焦量应为0.4～0.6 mm。

关键词：钛钢异种金属;偏焦量;温度场;激光焊接

0引言

钛合金材料具有很高的比强度、优异的抗腐蚀性以及良好的加工性[1]，采用钛合金取代部分钢质体材料，可实现更广范围性能的要求。而部分替代的前提往往涉及到钛钢异种金属的焊接问题。由于钛合金与钢在物理和化学性能上存在着明显的差异，焊接时在焊缝中容易产生TiFe、TiFe2等金属间化合物，使接头脆化，严重影响接头的强度和连接可靠性[2]，并且焊接过程中易产生气孔，加大焊接的难度。随着激光焊接技术的发展与完善，激光焊接技术具有熔池净化效应,能纯净焊缝金属,适用于相同和不同金属材料间的焊接。激光焊接能量密度高,对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属特别有利[3-7]。目前，对于钛钢异种金属激光焊接的研究甚少，文中采用激光热源偏向钢侧焊接的方法使钢侧金属熔化实现熔钎焊，加强焊接接头的强度。因此采用ANSYS对钛钢异种金属激光焊接不同偏焦量下的温度场进行模拟，对其温度场进行综合分析。

1激光焊接前处理

1.1模型的建立

仿真实验材料选择试件为304不锈钢和TA15钛合金两种金属，其尺寸都为50 mm×25 mm×2.5 mm，焊接中选择两种材料进行直接对接。建立的几何模型如图1所示：图中线以上为不锈钢材料，以下为钛合金材料。

图1　ANSYS中的模型

此次仿真采用Solid 70单元类型进行网格划分，单元尺寸为1 mm。主要是由于网格划分越精细计算精度越高，但如果网格划分太细，计算效率会大幅下降，再加上实验室计算机运行速度的影响，因此此次仿真没有过于强调单元划分的精细程度。

1.2材料属性设置

此次仿真对其进行温度场分析，不锈钢和钛合金化学成分和热物理性能参数如表1—3所示。

表1TA15母材化学成分(质量分数)

%

表2304不锈钢母材的化学成分(质量分数)

%

表3　TA15和304SS的主要物理性能对比

1.3载荷施加

(1)在异种金属之间的对接面建立一个接触对，减少接触面对焊缝传热的影响。建立结果如图2所示。

图2　接触对建立

(2)焊件初始温度条件为：基体初始温度为20 ℃。

(3)热源模型对于模拟的真实性和准确性十分重要，现已有很多不同类型的模型[8-10]，此次模拟采用高斯热源模型。高斯热源的热流分布图如图3所示，恰好能够模拟激光光斑的能量分布情况。

高斯热源分布函数为：

图3　高斯热源模型

此次模拟根据实际加工情况，热源是沿着焊接方向移动的载荷，采用APDL语言编写热源加载子程序即可实现，偏焦量的实现靠通过程序改变热源最初的加载点。主要加工参数为：热源移动速度v=0.020 m/s，激光半径r=0.004 m，激光功率P=2 000 W。

2模拟结果与分析

计算完毕后，查看热源的移动过程和温度场变化情况的动画，偏焦量为0的情况下截取部分时刻温度场的分布情况(单位：℃)，如图4和图5所示。

由图4各时刻的温度分布可以看出：熔池随热源的移动而逐渐向前推进，但是熔池的形貌基本保持不变，这说明焊接热过程是一个相对稳定的过程。从图4还可以看到：工件上熔池的面积很小，这也进一步证明了激光束焊接能量密度大的特点。通过图5中t=6 s和t=9 s的温度分布云图可以看出：由于钛合金一侧的导热系数要比不锈钢一侧的小，所以在冷却时钛侧冷却速度较慢。通过图4可以得到：在热源直接作用的区域，由于激光束能量集中，加热速度极快，所以温度梯度较大，等温线分布密集；而其他区域，由于激光束为局部加热，受到的影响较小，温度梯度大，等温线分布较为稀疏。可见，由于其能量密度大，所以熔池及热影响区的面积较小。

图4　加热阶段

图5　冷却阶段

为了得到钛合金TA15与不锈钢304两侧温度场的分布情况，必须对焊接过程中某些节点的热循环曲线进行分析。首先沿焊接方向选取节点进行热循环曲线计算，分别选取焊缝中心距起焊位置5、15、25、35和45 mm 5个点的热循环曲线进行了绘图，所取节点分别定义为TEMP_2～TEMP_6，获得的热循环曲线如图6所示。

由图6可以看出，整个焊接过程为一个稳定的温度场。随着热源的移动，5个节点先后达到了最高温度；且当热源移动到某一节点时，温度迅速上升，之后又急剧下降。表明激光焊接热传递非常快，能瞬间将金属熔化。这也是保证其高熔池高深宽比的一个重要因素。

图6　热循环曲线图

为继续研究异种金属激光束焊接温度场特点，在钛侧和铜侧垂直焊缝方向上各取6个节点进行热循环曲线分析。在试件中分别取两侧距焊缝中心1、2、3、4、5和6 mm 6个节点，定义为TEMP_2～TEMP_7，计算得到的热循环曲线图如图7所示。由图7可以看出：激光束焊接的高温区域非常小，温度梯度非常大，不锈钢一侧1 mm与2 mm处温度相差达到700 ℃ 。这充分体现了激光束焊接能量集中的优势。

图7　热循环曲线图

为进一步分析，分别把钢一侧和钛一侧垂直焊缝方向偏离焊缝中心1、2和3 mm的6个节点的热循环曲线图进行比较，其中钢一侧偏离焊缝中心1、2和3 mm的3个节点分别定义为TEMP_2 、TEMP_4和TEMP_6，钛一侧偏离焊缝中心1、2和3 mm的3个节点分别定义为TEMP_3、 TEMP_5和TEMP_7。如图8所示。

图8　热循环曲线图

由图8可以看出：距焊缝中心相同距离的两侧，各节点所达到的最高温度是不同的。从1 mm以外钛侧的温度要明显高于钢侧，这是由于TA15的导热系数要比不锈钢304小，所以加热时温度比钢传到外部的速度要低，温度上升要比不锈钢一侧的快。而1 mm内由于304不锈钢的比热容低于TA15钛合金，所以温度上升快。

3偏焦量对异种金属焊接影响

针对钛与钢的焊接，此次模拟钢侧不同偏焦量下焊接的温度场分布情况，分析钢钛异种合金焊接最适合的偏焦量值。此次仿真采用偏焦量为0.2～0.8 mm 7组不同的数据进行分析，对偏焦量为0.4 mm下的温度场分布情况与偏焦量为0下的温度场分布情况进行分析。

计算完毕后，查看热源的移动过程和温度场变化情况的动画，在偏焦量为0.4 mm的情况下截取部分时刻温度场的分布情况(单位：℃)，如图9和图10所示。

图9　加热阶段

图10　冷却阶段

由图4和图9相比较得出：熔池随热源的移动向前推进，其形貌基本保持不变，只是最高温度由于偏焦量的影响向钢侧移动，从而保证存在偏焦量下仍是稳定的焊接过程。比较图5和图10可知：热源向钢侧移动有利于焊件的冷却，减少两种金属的作用时间，有利于提高其力学性能。

为继续研究偏焦量对钛钢异种金属激光焊接的影响，分别在钛侧和铜侧垂直焊缝方向上各取6个节点进行热循环曲线分析。在试件中分别取两侧距焊缝中心1、2、3、4、5和6 mm的6个节点，定义为TEMP_2～TEMP_7，计算得到的热循环曲线如图11所示。

图11　热循环曲线图

比较图7和图11可知：热源偏向不锈钢导致钢侧的温度上升，且钢侧1 mm和2 mm 2个节点温度逐渐趋于一样，而钛侧的温度趋于下降，且垂直焊缝方向相邻两个节点之间的温度差越来越大。

为研究304不锈钢和TA15钛合金激光焊接的合理偏焦量，分别分析不同偏焦量下钢和钛两侧垂直焊缝方向上依次偏离中心焊缝4个节点上的温度分布情况，整理如表4所示。

分析表4数据可知：当偏焦量小于0.4 mm时，304不锈钢侧1 mm处的温度低于焊缝处的温度，并且TA15钛合金侧的温度下降不多；当偏焦量为0.4～0.6 mm时，304不锈钢侧1 mm处的温度与焊缝处的温度趋于相同，有利于实现不锈钢侧金属熔化进行焊接的目的；当偏焦量大于0.6 mm时，304不锈钢侧1 mm处的温度大于焊缝处的温度，这样不利于金属溶液的流动导致焊缝性能降低。综上分析：304不锈钢和TA15钛合金激光焊接的合理偏焦量应该在0.4～0.6 mm之间。

表4　不同偏焦量下不同节点上的温度分布情况　℃

4结论

(1)应用ANSYS有限元软件可以较真实地模拟钛钢异种金属激光焊接加工，各种数据以及研究方法可以为实验和加工过程提供有意义的参考。

(2)移动热源加载采用程序语言，可以方便改变参数从而精确实现热源的偏移量。光斑的直径大小对焊接最高温度有较大影响，实验时应注意控制光斑的大小。

(3)模拟结果表明：偏焦量偏向304不锈钢一侧可以有效改变钛钢两侧的温度分布情况，并且可以加速焊件的冷却速度。综合多种因素考虑，304不锈钢和TA15钛合金激光焊接的合理偏焦量应该控制在0.4～0.6 mm之间。

参考文献:

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【2】孙荣禄，张九海.钛及钛合金与钢焊接的问题及研究现状[J].宇航材料工艺，1997(2):7-11.

【3】郭鹏,杨家林.TC4钦合金精密焊接工艺研究[J].机械,2001,28(4):35-36.

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【6】邹意会,张荣康.激光加工新进展[J].国外激光,1994,23(7):6-11.

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【9】家权,肖顺胡,杨新彦,等.焊接过程数值模拟热源模型的研究进展[J].装备制造技术,2005(3):11-13.

【10】卢宇峰.全熔透激光焊热源数值模型及参数研究[D].上海:上海交通大学,2012:64-66.

Temperature Field Analysis of Laser Welding of Titanium Steel Dissimilar Material

HU Xiaohong, WANG Yuling, XU Yang

(School of Mechanical Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao Shandong 266033, China)

Abstract:Based on ANSYS finite element analysis, using the moving gauss heat source, aiming at titanium alloy and stainless steel two kinds of different materials, the influence of partial focal value change on the temperature field of laser welding was studied through numerical simulation. The temperature distribution and its variation law on both sides of the titanium and steel under different partial focal value were analyzed. Through simulation analysis, it is concluded that the distance of the partial focal from steel side should not be more than 0.7 mm, best partial focal value should be 0.4～0.6 mm.

Keywords:Titanium steel dissimilar metals;Partial focal value;Temperature field;Laser welding

收稿日期：2015-09-09

作者简介：胡小红，女，硕士研究生，研究方向为不同材料之间的焊接。E-mail：hxh19900220@163.com。

中图分类号:TG115.25

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)01-001-06