钛合金薄板背反射激光焊接冶金动力学与成形性优化研究

摘要

背反射激光焊接是一种薄板高效激光焊接新方法，其能够在常规激光焊接仅能获得V形焊缝的工艺参数下实现薄板的X形焊接成形；然而，这一薄板高效激光焊接型方法的理论研究尚较为薄弱。本文以0.6mm厚TC4钛合金薄板为对象，围绕“钛合金薄板背反射激光焊接冶金动力学与成形性优化”这一主题，采用数值模拟与试验研究相结合的方法，对背反射激光焊接接头熔池的传热、流动、凝固等冶金动力学行为进行分析，阐明焊接过程中熔池温度场、流场的变化及其分布规律，并由此进一步探究晶粒生长和组织凝固行为，从而为揭示背反射激光焊接成形机理奠定基础；同时，基于背反射增效效应结合目前有关多能场作用机理的研究，提出通过增加辅助电场实现背反射激光焊接成形性的优化方法，并进行了探索性试验研究，为进一步拓展这一薄板激光高品质高效焊接成形方法应用领域提供技术支撑。
　　本文完成的主要工作和取得的成果如下：
　　（1）基于FLUENT软件建立了钛合金薄板背反射激光焊成形过程的三维瞬态温度场“双高斯热源”模型，对焊接过程中的温度场分布进行了模拟分析，并研究了主要激光工艺参数对熔池形貌和温度梯度分布的影响。结果表明：“双热源”的热输入先后状态是导致熔池温度场分布从“V”形到“X”最后变为“倒V”形的根本原因；同时，温度梯度与功率呈正比且与速度呈反比的规律。通过实验验证，本文所建立的模型能够较真实地反映背反射激光焊接熔池温度场分布情况。
　　（2）基于温度场分布建立了背反射激光焊焊接熔池流动中气相、液相和固相三相区的流动场统一模型，得到了熔池的三相匙孔相变以及流场分布情况。结果表明：热输入引起的温度场分布是导致熔池相变的直接推动力。随着焊接功率增大或者扫描速度的减小，熔池熔宽和熔深都增大；激光入射匙孔引发等离子体/蒸气云与背面垫板诱发羽辉的耦合作用是X形熔池形貌形成的主要原因；同时，表面张力是形成熔池内“椭圆回流环”的主要驱动力。
　　（3）参照温度场和流场的模拟结果，运用CA方法对背反射增效激光焊接过程中熔池的枝晶生长与溶质分布进行模拟分析，结合背反射激光焊接试验的熔池形貌进行对比验证。结果表明：温度梯度对结晶的速度影响较大，且与之呈反比规律；熔融体流动方向对晶粒呈现出左侧比右侧长、上下侧基本相等的特征影响显著，二次枝晶彼此形成封闭或半封闭区域的现象是导致该区域的溶质堆积现象的主要成因；背反射焊接试验结果显示试验形貌与模拟形貌吻合度较高，表明此模型能够较好的模拟背反射激焊接成形过程中的晶粒生长分布情况。
　　（4）基于背反射增效效应结合目前有关多能场作用机理的研究，提出了通过增加辅助电场实现背反射激光焊接成形性的优化方法，针对该方法开展了探索性试验研究并对其组织和力学性能进行了测试。结果表明：辅助电场对焊缝正面形貌和熔池形貌影响很小，而对焊缝背面形貌影响显著；同时，辅助电场一定程度地细化了晶粒，而且辅助电场的引入与焊缝显微组织内“黑色斑点或斑块”的产生有着直接联系；此外，辅助电场对焊缝接头力学性能影响甚微。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2国内外研究现状

1.3前期背反射增效激光焊接方法简介

1.4 本文研究目的、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温度场模拟与分析

2.1 引言

2.2温度场模拟前处理

2.3温度场模拟结果及分析

2.4温度场模型验证

2.5 本章小结

第三章钛合金薄板背反射激光焊接流场模拟及分析

3.1引言

3.2焊接熔池流场模拟前处理

3.3 熔池匙孔相变模拟结果与分析

3.4熔池速度场模拟与分析

3.5本章小结

第四章 基于钛合金薄板温度场和流场模拟的凝固行为研究

4.1 引言

4.2焊接的基础凝固理论

4.3基于CA方法熔池的凝固结晶初步模拟

4.4模拟结果及分析

4.5钛合金薄板背反射激光焊接试验的验证与分析

4.6本章小结

第五章 电场辅助背反射激光焊接成形优化的探索研究

5.1引言

5.2电场辅助背反射激光焊接原理

5.3电场辅助背反射激光焊接试验夹具设计

5.4电场辅助背反射激光焊接试验方案

5.5实验结果分析

5.6本章小结

第六章 电场辅助背反射激光焊焊接头组织性能测试

6.1引言

6.2焊接接头微观组织的观察与分析

6.3焊接接头力学性能测试与分析

6.4本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 本文的创新点

7.3 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