钛合金-不锈钢异种金属激光焊接过程的有限元分析与实验研究

摘要

随着现代工业的发展，钛合金良好的性能被得到越来越多的重视，工件中的部分不锈钢材料被其取代以提高工件的性能。虽然焊接是钛合金和不锈钢材料常见的连接方式，但两者在化学成分和物理性能方面存在较大的区别，致使两种金属之间的焊接性能普遍较差。由于激光技术的快速发展，以及热源集中、热输入量相对较小、热源可精确控制等优点使其在焊接工业中得到越来越多的应用。而激光焊接方法在异种金属焊接中的应用研究是现代工业中比较重视的一个课题。
　　本篇文章针对TA15钛合金和304不锈钢两种牌号金属的焊接性能进行研究。在综合分析他人研究的前提下，针对钛合金-不锈钢异种金属焊接的特殊性提出两种焊接方法进行分析实验，分别是激光热源偏向不锈钢材料的直接焊接和在钛合金与不锈钢之间加入填充层铜进行焊接。
　　首先利用ANSYS有限元分析软件对钛合金-不锈钢异种金属直接焊接温度场进行仿真分析。钛合金和不锈钢两侧的温度场呈不对称分布，在相同时间焊缝两侧的峰值温度存在不同，而且焊缝两侧相同位置的节点温度也存在差异。引入偏焦量后，对偏焦量值为0.2mm～0.8mm的情况分别进行仿真，分析不同偏焦量值时的温度场分布情况，分析表明偏焦量值的合理范围应该在0.5mm～0.7mm内。另外对填充层黄铜厚度为0.1mm～0.8mm的钛合金-不锈钢激光焊接温度场进行仿真，分析其温度场分布发现加入黄铜后钛合金和不锈钢两侧的融化量减少，并且冷却速度更快。对每组填充层厚度的温度场分布进行综合分析，得出钛合金-不锈钢异种金属激光焊接填充层铜的合理厚度应在0.5mm～0.7mm左右。
　　基于ANSYS有限元软件仿真分析的结论，对偏焦量值为0.3mm～0.7mm和填充层黄铜厚度为0.5mm～0.7mm的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接进行焊接实验和力学性能分析。通过对各个焊接试样的观察、力学性能实验和SEM实验，综合分析实验数据得出偏焦量值为0.5mm～0.6mm时和填充层铜的厚度为0.5mm～0.6mm时钛合金-不锈钢异种金属激光焊接试样的焊缝形貌和力学性能比较好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 激光焊接的发展和应用

1．3 钛合金-不锈钢异种金属焊接的研究现状

1．4 激光焊接在钛合金-不锈钢异种金属焊接中的应用现状

1．5 论文的主要研究内容

第二章 钛合金-不锈钢激光焊接的温度场分析

2．1 有限元分析的基础

2．1．1 焊接中数值模拟技术介绍

2．1．2 ANSYS软件介绍

2．1．3 焊接温度场分析理论

2．2 钛合金-不锈钢激光焊接有限元模型的建立

2．2．1 基本假设

2．2．2 热源模型的选取

2．2．3 激光焊接工艺参数与材料参数

2．2．4 单元类型的选择

2．2．5 ANSYS模型建立和网格划分

2．2．6 热源的施加

2．3 激光焊接温度场的仿真分析

2．3．1 钛合金-不锈钢异种金属直接焊的温度场分布特点

2．3．2 不同偏焦量值的钛合金-不锈钢激光焊接温度场分布

2．4 钛合金-不锈钢异种金属激光焊接的合理偏焦量

2．5 本章小结

第三章 钛合金-不锈钢异种金属激光焊接实验及分析

3．1 实验设备与准备过程

3．1．1 激光焊接设备

3．1．2 焊接材料的处理

3．2 钛合金-不锈钢异种金属焊接试样分析

3．3 实验结果分析

3．3．1 硬度测试

3．3．2 焊缝微观形貌分析

3．3．3 拉伸实验分析

3．4 本章小结

第四章 基于Cu片填充层的钛合金-不锈钢激光焊接的研究

4．1 加入Cu片的钛合金-不锈钢激光焊接温度场分布

4．2 加入铜层的钛合金-不锈钢异种金属焊接实验研究

4．2．1 焊接试样分析

4．2．2 硬度测试

4．2．3 焊缝形貌和微观组织分析

4．2．4 拉伸实验分析

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果及发表论文

致谢