钛合金薄板低阈值背反射激光焊接数值分析与特性的研究

摘要

针对钛合金薄板背反射激光焊接现有研究存在的问题，本文以1.5mm厚TC4钛合金薄板为对象，围绕“钛合金薄板低阈值背反射激光焊接数值分析与特性”这一主题，开展相关理论及应用基础研究。研究中，通过对背反射激光焊接过程温度场和应力场数值模拟与分析的研究，阐明背反射激光焊接过程温度场和应力场的变化及其分布规律，进而为揭示背反射激光焊接成形机理奠定理论基础；同时，通过钛合金薄板背反射激光焊接成形工艺特性和组织性能特性的研究，验证这一高效低阈值激光焊接新方法对厚度相对于现有研究增大了约1倍的较厚薄板的适应性，从而为进一步拓展其应用提供技术支撑和应用基础。研究过程中采用“理论分析与实验研究相结合、数值模拟和试验优化并重”的研究方法，所开展的研究工作和取得的主要成果如下。
　　（1）钛合金薄板背反射激光焊接过程的温度场数值模拟与分析的研究。以经实验验证的0.8mm厚钛合金薄板背反射激光焊接过程的“双热源”温度场模型为基础，通过设定1.5mm的板厚、1400W的功率和850mm/min的扫描速度建立新的温度场模型，对1.5mm厚钛合金薄板背反射激光焊接过程的温度场进行了数值模拟与分析。研究表明：此模型能够较好地模拟背反射激光焊接成形过程中的温度场分布情况，薄板正面和背面均在很短时间内形成了类似“泪滴状”的稳定温度场，热源前端等温线密集、温度梯度大，后端等温线相对稀疏、温度梯度相对较小。熔池逐渐从V形过渡到X形的温度场时程变化，较好地描述了背反射激光焊接过程中所形成的背面辅助能场对工件背面进行二次加热的物理过程；同时，随着功率的增大或者扫描速度的降低，熔池熔宽和熔深逐渐增大，温度梯度与功率呈正比，与速度呈反比规律。
　　（2）钛合金薄板背反射激光焊接过程应力场的数值模拟与分析研究。以温度场为基础，采用间接耦合法对钛合金薄板背反射激光焊接过程的应力场进行了数值模拟与分析。研究表明：钛合金薄板背反射激光焊接过程中，随着焊接时间的延长其热应力随之增大；而在其冷却过程中，钛合金薄板的应力值分布在两端位置处最大，表现出比较明显的边界效应。同时，常规激光焊即无反射垫板状态下，焊缝横切面上表面残余应力整体大于下表面且残余应力分布区域较宽；而背反射激光焊的焊缝横切面上表面与下表面的残余应力曲线重合度较高，上下表面残余应力分布也基本相当。此外，不同线能量下，背反射激光焊接钛合金薄板的纵向残余应力变化很小，这表明线能量对其焊接残余应力影响的敏感度较低。
　　（3）钛合金薄板背反射激光焊接成形工艺特性研究。以接头焊缝的背宽比、堆高和变形角这三个指标对成形性进行定性和定量的表征，进而探究激光工艺参数对背反射低阈值激光焊接接头成形性的影响及其规律。研究表明：在本文实验条件下，焊接正背面均呈现亮蓝色或金黄色，焊接宏观形貌较好，焊缝形貌均呈现典型的X形焊缝；激光工艺参数对背宽比的影响次序为：焊接速度>离焦量>激光功率，实现焊缝最优背宽比数据下的激光工艺参数为功率1400W，扫描速度800mm/min，离焦量为1mm；激光工艺参数对焊缝的堆高的影响次序为：焊接速度>激光功率>离焦量，实现焊缝最小堆高数据下的激光工艺参数为功率1400W，扫描速度900mm/min，离焦量为0；激光工艺参数对焊缝的变形角的影响次序为：激光功率>离焦量>焊接速度，实现焊缝最小变形数据下的激光工艺参数为功率1400W，扫描速度1000mm/min，离焦量为-1mm。
　　（4）钛合金薄板背反射激光焊接接头组织和性能特性研究。以本文实验条件下优化工艺参数所获得的钛合金薄板背反射激光焊接接头为研究对象，较为系统地研究了焊接接头的横切面宏观形貌、焊缝区和热影响区的微观组织、硬度沿焊缝横切面的分布情况和拉伸强度及其断口形貌，并与相同激光工艺参数下常规激光焊接同种钛合金薄板试样进行对比。研究表明：相对于常规激光焊接，采用背反射激光焊接钛合金薄板所获得的焊缝呈现较为标准的“X形”，且正背面焊缝均较为平整；而且，背反射激光焊接焊缝中心区域晶粒略大，热影响区中的过热区和部分相变区要小，而正火区则要大。两种焊接方式测得硬度分布均呈现出相似分布规律，但背反射焊缝区硬度低于常规激光焊，而其他区域则略高于常规激光焊，母材基本保持一致；两种焊接方法下拉伸试件断裂位置均处于近焊缝基体处，断口均呈现出典型的韧窝特征即均属于塑性断裂。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2国内外的研究现状

1.3背反射激光焊接提出与研究进展

1.4 研究目的、内容及技术方案

1.5 本章小结

第二章 钛合金薄板背反射激光焊接过程的温度场模拟与分析

2.1引言

2.2计算模型

2.3激光焊接温度场模拟计算

2.4 模型与实验的结果对比

2.5 1.5mm厚钛合金薄板温度场模拟与分析

2.6 本章小结

第三章 钛合金薄板背反射激光焊接过程的应力场模拟与分析

3.1引言

3.2应力场模拟基础理论

3.3背反射激光焊应力场模拟前处理

3.4背反射激光焊应力场结果及分析

3.5本章小结

第四章 钛合金薄板背反射激光焊接成形工艺特性研究

4.1 引言

4.2 试验材料与方案

4.3试验的结果与分析

4.4正交优化试验的结果与分析

4.5本章小结

第五章钛合金薄板背反射激光焊接接头的组织和性能

5.1 引言

5.2 组织性能分析方法

5.3 焊接接头的横切面宏观形貌

5.4 焊接接头的微观组织

5.5 焊接接头的力学性能

5.6本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2本文研究的特色与创新之处

6.3后继研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研成果