張琪琪，劉　嘉，白立來，馮陸洋，郭珍珍

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

基于ANSYS的鈦合金真空電子束焊數(shù)值模擬研究

張琪琪，劉嘉，白立來，馮陸洋，郭珍珍

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

利用ANSYS有限元軟件對(duì)尺寸60 mm×100 mm×6 mm的TC4鈦合金板進(jìn)行真空電子束焊接的數(shù)值模擬仿真研究。建立高斯面熱源和橢球體熱源組成的組合移動(dòng)熱源模型作為仿真的熱源模型，研究TC4鈦合金在真空電子束下的焊縫成形過程、焊縫附近的應(yīng)變變化情況及焊接過程中熱源溫度場(chǎng)的變化。

鈦合金；電子束焊接；數(shù)值模擬；溫度場(chǎng)

0　前言

鈦合金具有密度低、耐蝕性好、導(dǎo)熱系數(shù)小、強(qiáng)度高等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于航空、宇航和原子能工業(yè)等領(lǐng)域。以航空領(lǐng)域應(yīng)用為例，鈦合金是當(dāng)代先進(jìn)飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一，它可以在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性的同時(shí)有效減少其質(zhì)量，隨著民用領(lǐng)域的需求不斷增加，鈦合金的用量及應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嘣黾?。?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鈦合金的焊接方法和工藝進(jìn)行了大量研究，采用真空電子束焊接鈦合金結(jié)構(gòu)件可獲得良好的焊接接頭[1]。

真空電子束焊接是一種高能量密度的焊接方法，具有焊接熱效率高、焊接速度快、真空電子束束流小、形成的焊縫深寬比較大，最終產(chǎn)生變形小，且熱影響區(qū)較窄的特點(diǎn)。為了保證對(duì)重要結(jié)構(gòu)件的焊接效果，可通過有限元分析方法在對(duì)結(jié)構(gòu)施工前，預(yù)測(cè)出結(jié)構(gòu)件在焊接過程中的演變過程及應(yīng)變、熱場(chǎng)分布等參數(shù)，通過焊前工藝的選取和焊后變形的研究對(duì)實(shí)際焊接具有指導(dǎo)意義[2]。

本研究采用ANSYS有限元分析研究TC4鈦合金的真空電子束焊接，選用復(fù)合熱源模型，選取合適的工藝參數(shù)和熱源參數(shù)，通過數(shù)值模擬方法研究平板電子束焊的溫度場(chǎng)分布和應(yīng)變分布，以此分析焊接時(shí)溫度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束溫度場(chǎng)以及應(yīng)變的初步預(yù)測(cè)。

1　焊接溫度場(chǎng)模擬

1.1熱源模型建立

電子束焊具有熱影響區(qū)小和高功率密度等特點(diǎn)，因此形成的“匙孔”效應(yīng)使真空電子束焊縫形成較大的開口，形成大深寬比的焊縫形態(tài)。針對(duì)這種能量分布規(guī)律，采用高斯面熱源來模擬焊縫表面金屬蒸汽等離子體熱效應(yīng)，焊后溫度呈梯度變化，采用雙橢球體熱源來模擬焊縫體熱源分布。因此，采用高斯面熱源和橢球體熱源相疊加的組合熱源模型，這樣使得數(shù)值模擬的結(jié)果更準(zhǔn)確[3-5]。

面熱源和體熱源的模型示意見圖1。設(shè)Qs、Qv分別為面熱源和體熱源的能量，二者的總能量為Q，則有

式中η為焊接熱效率；U為加速電壓；I為電子束束流。

圖1　高斯面熱源和橢球體熱源的熱源示意

面高斯熱源的能量分布符合高斯曲線，假設(shè)面熱源所占的總功率的比例為γ，選取功率分配系數(shù)γ=0.2，即面熱源占總功率的20％，直接決定了焊縫深寬比較大的形貌特征，其能量密度分布為

式中R為熱源半徑；r為任意一點(diǎn)到加熱中心距離。

對(duì)于焊縫前后的體熱源能量前半部分溫度上升迅速，而后半部分溫度下降較緩慢，因此利用雙橢球熱源分布函數(shù)，前半部分是1/4個(gè)橢球，橢球的梯度較大，溫度變化較快，其熱源熱流密度分布為

后半部分是另1/4個(gè)橢球，其梯度較小，變化緩慢，其熱源熱流密度分布為

式中a、b、cb、cr分別為雙橢球熱源的形狀參數(shù)，可以取不同值；fr、fb為橢球熱源能量分配系數(shù)。

1.2有限元分析模型建立及分析參數(shù)選取

在ANSYS中建立尺寸60 mm×100 mm×6 mm的焊件模型，模型材料為TC4鈦合金，鈦合金板焊件為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選取1/2進(jìn)行仿真分析，分析采用SOLID70熱分析單元。焊接熱分析溫度場(chǎng)梯度較大，因此采用不同區(qū)域劃分不同網(wǎng)格方式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在靠近焊縫區(qū)域溫度場(chǎng)梯度較大，需要精度高，網(wǎng)格劃分的較密，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域溫度場(chǎng)梯度較小，網(wǎng)格劃分的較為稀疏，這種劃分網(wǎng)格方式縮短了前處理過程，提高了計(jì)算精度。焊接參數(shù)：加速電壓150kV，電子束流20mA，焊接速度8mm/s。電子束從z軸負(fù)向垂直于工件平板入射，工件沿x軸正向進(jìn)給。有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2　三維有限元模型網(wǎng)格劃分

1.3邊界條件設(shè)置

仿真分析是對(duì)焊件模型的1/2進(jìn)行分析，因此焊縫中心所在的對(duì)稱面加載為絕熱邊界條件。在真空電子束焊接中，由于沒有對(duì)流，因此，只考慮輻射熱傳遞。將試件的初始溫度設(shè)為環(huán)境溫度，即取室溫。在ANSYS熱分析中本身不能接受輻射載荷，必須定義一個(gè)外部節(jié)點(diǎn)用于吸收輻射出的熱量，選取三維熱表面效應(yīng)單元SURF152，通過對(duì)表面效應(yīng)單元施加輻射載荷達(dá)到對(duì)實(shí)體單元的加載。

根據(jù)Stefan-Boltzmann定律，輻射換熱密度q為

式中σ為表面輻射效率；ε為Stefan-Boltzmann常數(shù)，為5.67×10-8W/m2·K4；T和Ta分別為環(huán)境溫度和輻射表面溫度。

2　模擬結(jié)果和分析

2.1焊接溫度場(chǎng)分析

焊接仿真過程中選取0.0625s、0.5s、4s、7.5s時(shí)的焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。溫度分布云圖見圖3～圖6。

圖3　0.062 5 s時(shí)焊件溫度場(chǎng)分布云圖

圖4　0.5 s時(shí)焊件溫度場(chǎng)分布云圖

圖5　4s時(shí)焊件溫度場(chǎng)分布云圖

圖6　7.5 s時(shí)焊件溫度場(chǎng)分布云圖

焊接開始時(shí)的溫度分布如圖3所示。電子束經(jīng)過適當(dāng)?shù)募铀俨⒕劢怪?，具有很高的功率密度，在電子束接觸焊接表面時(shí)，溫度最高可達(dá)1160℃，利用電子束焊接時(shí)焊接熱源比較集中，呈現(xiàn)成“釘子”形狀。圖4為焊接熱源在0.5 s時(shí)的溫度場(chǎng)分布云圖，由于此時(shí)焊接過程的傳熱和焊接在冷卻過程中比較緩慢，因此在高溫區(qū)域的溫度比0.062 5 s時(shí)的最高溫度要高，而且此時(shí)的溫度范圍更大。此時(shí)溫度升高為2 100℃，升溫速度快，體現(xiàn)了熱源集中性。圖5為焊接熱源在4s時(shí)的溫度分布云圖，此時(shí)溫度達(dá)到了基本穩(wěn)定，焊接過程進(jìn)入穩(wěn)定階段。圖6為焊接熱源在7.5 s時(shí)的溫度分布云圖，此時(shí)溫度最高到達(dá)了2 418℃，并形成了深寬比很大的熔池形狀，在工件表面形成較長(zhǎng)的拖尾現(xiàn)象，這體現(xiàn)了電子束焊接的深穿入式成形。

焊接熱循環(huán)曲線如圖7所示，分別取焊縫中心上的點(diǎn)和距離焊縫中心線為0 mm、1 mm、2 mm的點(diǎn)進(jìn)行分析。由圖7可知，距離焊縫中心越近的高溫區(qū)的曲線越陡峭，溫度的瞬時(shí)變化越明顯。在電子束作用的瞬間，由于電子束束斑的作用，溫度急劇上升，焊縫中心的溫度在此刻達(dá)到最高。當(dāng)電子束束斑離開該點(diǎn)，溫度急劇下降，并使結(jié)構(gòu)件逐漸緩慢冷卻，在結(jié)構(gòu)件上焊縫中心各點(diǎn)依次出現(xiàn)基本相同的焊接熱循環(huán)過程。在距離焊縫中心線0mm、1mm、2 mm處的最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間依次延遲，最高溫度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，這符合了電子束焊接過程中能量集中和局部高溫的特點(diǎn)。

圖7　焊接熱循環(huán)曲線

2.2工件焊接應(yīng)變分析

在焊接過程中，過高的溫度會(huì)對(duì)工件材料的組織造成影響，在焊縫處會(huì)產(chǎn)生一定的溫度梯度，從而使工件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)致焊件產(chǎn)生一定的應(yīng)變。因焊接結(jié)構(gòu)件是中心對(duì)稱圖形，對(duì)中心對(duì)稱面施加對(duì)稱邊界條件，平板約束為自由約束，焊件焊后總體應(yīng)變以及焊接冷卻過后變形如圖8所示。

由圖8可知，在焊接過程中熱量較高，焊件溫度也較高，此時(shí)焊件受到熱膨脹作用產(chǎn)生塑性變形，膨脹變形量達(dá)到0.3 mm，焊接過程結(jié)束后，焊件逐漸冷卻，冷卻過程平板將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，在中間加熱部分會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而其他部分則產(chǎn)生壓應(yīng)力，一直到冷卻結(jié)束，此時(shí)焊件最大變形量為1.05 mm。

圖8　焊件整體結(jié)構(gòu)變形

3　結(jié)論

（1）建立了6 mm厚TC4鈦合金平板電子束焊接的三維有限元數(shù)值計(jì)算模型，利用高斯熱源和雙橢球熱源的組合移動(dòng)熱源模型對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，表明所建溫度場(chǎng)模型能較好的模擬真空電子束焊的形貌特征。

（2）對(duì)自由狀態(tài)下的平板進(jìn)行熱應(yīng)力耦合分析，對(duì)焊后和冷卻后進(jìn)行應(yīng)變分析，變形量最大發(fā)生冷卻過后，達(dá)到1.05 mm，對(duì)焊接件的變形量有一個(gè)很好的預(yù)測(cè)。

[1]朱知壽.新型航空高性能鈦合金材料技術(shù)研究與發(fā)展[M].北京：航空工業(yè)出版社，2013.

[2]王之康，高永華，徐賓.真空電子束焊接設(shè)備及工藝[M].北京：原子能出版社，1990.

[3]袁雙喜.鈦合金真空電子束焊接數(shù)值模擬與變形控制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

[4]ChunxiuLiu，DongpoWang.NumbericalSimulationofWelding deformation under different Conditions[J].Computing，Control and Industrial Engineering，2011（2）：402-405.

[5]陳細(xì)亮，卜文德，柯黎明，等.6mm厚高溫合金電子束焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J].南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，28（1）：4-9.

Numerical simulation on electron beam welding of titanium alloy based on ANSYS

ZHANG Qiqi，LIU Jia，BAI Lilai，F(xiàn)ENG Luyang，GUO Zhenzhen
（BeijingUniversityofTechnology，Beijing100124，China）

TC4 titanium alloy sheet with the size of 60 mm×100 mm×6 mm was investigated by the numerical simulation on vacuum electron beam deep penetration welding with ANSYS software.A heat source model which composed by Gauss heat source model and double ellipsoid heat source model was established as the simulation heat source model,researched on the forming process of TC4 titanium alloy welding in vacuum electron beam and the strain variation around the weld and also the changes in the process of welding heat source temperature field.

titanium alloy；electron beam welding；numerical simulation；temperature field

TG456.3

A

1001－2303（2015）11－0151-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.32

2015-04-20

張琪琪（1990—），女，北京人，在讀碩士，主要從事焊接仿真的研究工作。