TC21钛合金激光深熔焊应力场数值模拟研究

黄道业 （安徽国防科技职业学院机械工程系，安徽 六安237000）

激光深熔焊是一个快速、多变的热循环过程，由此产生小孔效应。由于材料属性及晶格参数的突变，在小孔形成的瞬间，气液两相的结合面上会形成极大的能量与温度梯度。结构焊后残余应力的形成，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。因此，研究激光焊接工艺参数改变对接头残余应力及应力梯度分布演变的影响，找到控制大梯度残余应力发生的方法，对预测控制焊接应力与变形、组织性能分析及保证焊接结构的制造质量具有重要意义［1－2］。

近年来，国内有关学者对激光焊接机理及激光焊接应力场与力学场的数值模拟等方面进行了研究［3－4］，提出了描述激光深熔穿透过程的蒸汽小孔模型，而严格按照 “小孔”穿透机理进行应力场分析又很难适应工程实际的需要。焊件的整体应力分布状态与焊接熔池边界向周围焊件传递的热量密切相关，普通熔焊的热源模型 （如高斯分布面热源、双椭球热源模型等），并不适合模拟激光深熔焊深而窄的焊缝，因此，建立能够模拟激光深熔焊熔池边界的热源模型对于实际焊件的应力场分析十分必要［5］。下面，笔者根据激光深熔焊工艺分析的实际需要，以弹塑性本构关系的数学模型，采用组合热源模型与瞬态有限元方法对 TC21 （Ti－6Al－2Zr－2Mo－2Sn－2Cr－0.25Si）工业钛合金激光深熔焊接时的应力场进行了数值模拟。

1 数值模拟物理模型

1.1 激光深熔焊热传导控制方程

焊接过程是高度的非线性瞬态问题，材料的热物理性能也随温度剧烈变化，同时还存在熔化和相变时的潜热现象。……