TA15钛合金焊后局部激光热处理的数值模拟及试验研究

摘要

钛合金的焊接结构件在诸多领域都有着广泛的应用,但在焊接过程中由于熔池和母材存在巨大温度梯度,外加钛合金本身导热系数低,热容量大,熔点高等特点,导致钛合金焊接件接头组织粗大,焊后残余应力较大并产生一定的变形。针对这一问题,本文选择TA15钛合金板材焊接件为研究对象,采用模拟结合实验的研究方法,尝试通过激光局部热处理来达到降低应力、减小变形的目的,并讨论激光热处理对焊接结构组织的影响。
　　首先对焊接过程进行模拟,分析焊接温度场及应力场。运用有限元分析软件ABAQUS建立模型,使用随温度变化的材料参数,考虑对流和辐射换热,忽略应力场对温度场的影响,采用顺序耦合的方法。焊接热源模型选择双椭球热源模型。得到现行模拟工艺下,焊接过程中热源中心最高温度约2600℃,降温速度比升温速度小;焊缝中心线处残余应力主要表现为纵向拉应力,约870MPa,在热影响区,应力值迅速下降,并表现为压应力,之后应力值趋于平稳;引起的变形主要是面向焊接热源的翘曲,自由端Y方向位移量为0.15mm。
　　之后以焊接过程模拟结果作为初始状态,模拟焊后激光热处理过程,考察激光热处理对焊接残余应力及变形的影响。选用高斯热源模型,在焊接的下表面进行加载。制定10组模拟激光工艺,受热表面最高温度在760～1580℃之间,均在熔点以下,非受热表面的升降温过程滞后于受热表面,对加热过程中相变区尺寸及形貌进行预测。P320D6V10和P450D6V20的工艺对焊接接头的改善效果最好,可将受热表面焊后纵向拉应力从870MPa降低到600MPa左右,自由端Y方向位移分别为-0.16mm和-0.17mm,基本矫正焊接变形。
　　最后对焊后局部激光热处理进行实验研究。在激光热处理后,焊缝区原始魏氏组织转变为马氏体组织,从表面沿板厚方向马氏体尺寸逐渐变的细小,母材区同样呈现马氏体组织特征,从表面沿板厚方向逐渐变细小。透射分析发现焊缝区原长而直的魏氏组织变为尺寸较小取向混乱的马氏体组织,位错密度也有所增加;激光处理后发现存在大量α′相和少量β相,α′相且尺寸差较大,某些大尺寸α′相之间夹杂有尺寸很小的α′相。焊缝区显微硬度从表面360HV逐渐下降到原始魏氏组织的330HV,母材区显微硬度从表面340HV左右逐渐降低到母材310HV左右。

目录

TA15钛合金焊后局部激光热处理的数值模拟及试验研究

NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL STUDY OF TA15 TITANIUM ALLOY POST WELDING LOCAL LASER HEAT TREATMENT

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 焊后热处理的研究现状

1.3 TA15钛合金

1.4 激光加热的影响因素与变形机理

1.5 激光技术在钛合金中的应用

1.6 局部加热过程的数值模拟

1.7 本文研究的主要内容

第2章 试验材料及研究方法

2.1 研究流程

2.2 热源模型

2.3 温度场的数学模型

2.4 应力场的数学模型

2.5 耦合问题

2.6 材料吸收系数的确定

2.7 实验材料

2.8 实验设备及分析方法

第3章 模型的建立及焊接过程模拟

3.1 模型几何尺寸的确定

3.2 相关材料参数的确定

3.3 有限元网格划分

3.4 初始条件与边界条件的设定

3.5 焊接温度场结果及分析

3.6 焊接应力场结果及分析

3.7 本章小结

第4章 焊后激光局部热处理的数值模拟

4.1 模型的处理及激光工艺的制定

4.2 激光热处理的温度场分析

4.3 激光热处理的应力场分析

4.4 激光热处理的变形分析

4.5 本章小结

第5章 焊后激光局部热处理的实验研究

5.1 激光实验工艺的制定

5.2 金相组织观察

5.3 扫描电镜分析

5.4 透射电镜分析

5.5 激光热处理对显微硬度的影响

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致 谢