背反射增效激光X形焊缝焊接残余应力的数值分析

背反射增效激光X 形焊缝焊接残余应力的数值分析

李 乐， 王宏宇， 黄爱国， 丁 瑞

(江苏大学 机械工程学院，镇江 212013)

摘 要： 以1.5 mm 厚的TC4钛合金薄板为对象，建立了背反射增效激光焊接成形过程的三维瞬态有限元模型，基于熔池温度场通过间接耦合方式获得了X 形焊接成形的应力场.结果表明，在常规激光焊接仅能获得V 形焊缝的激光工艺参数下，背反射增效激光焊接可获得对称性好的X 形焊缝；同时，其焊缝上表面纵向残余应力与常规激光焊接基本一致，但其焊缝下表面纵向残余应力较常规激光焊接要大，且达到了上表面纵向残余应力相同的水平；此外，不同线能量下背反射增效激光焊纵向残余应力的变化很小，表明背反射增效激光焊接的线能量对其焊接残余应力影响的敏感度较低.

关键词： 背反射增效激光焊；残余应力；TC4薄板；数值模拟；线能量

中图分类号：TG 456.7 文献标识码：A doi ：10.12073/j .hjxb .2018390249

0 序 言

钛合金由于具有轻质、高强、耐蚀等优点，在航天航空等领域中得到了广泛的应用[1]

. 激光焊接是钛合金薄板最为常用的连接成形方法之一[2]

. 在激光焊接过程中，为了减小变形常希望获得对称的X 形焊缝[3]

. 目前，获得X 形焊缝常见的激光焊接方法主要有两种，一是常规高阈值激光焊，二是背反射增效激光焊[4]

. 背反射增效激光焊与常规激光焊的主要区别在于：其在施焊过程中，在薄板背面增加距离一定的金属垫板，利用薄板全熔透瞬间进入背面的激光束作用在垫板上以类似激光反射的形式重新作用回背面焊接区. 该方法最显著的特点是其在低阈值单热源作用下获得了高阈值单热源或双热源的焊接效果，而且具有很好的焊接成形性，尤其是背面焊缝光滑、平整且呈少无氧化状态[5]

.而常规激光焊要想获得X 形焊缝就需要更大的能量，即俗称的高能量阈值，这种高能量阈值会引起焊接接头组织恶化，导致焊接接头残余应力及梯度增大[6]

. 鉴于背反射增效激光焊是一种新型高效激光焊接方法，故有必要开展其焊接残余应力分布及变化规律的研究.

以数值模拟的方法来分析焊接应力应变，可以

定量地分析焊接行为的整个动态变化，能够近于准确地反映热弹塑性应力和应变的非线性变化等复杂变化过程，已成为研究焊接残余应力的一种重要手段

[7-11]

. 故采用数值模拟的方法来研究背反射增效

激光焊接残余应力分布及变化规律. 文中，以1.5 mm 厚的TC4钛合金薄板为对象，建立了背反射增效激光焊接成形过程的三维瞬态有限元模型，基于熔池温度场通过间接耦合方式获得了其X 形焊接成形的应力场，并以相同条件下的常规激光焊接即施焊薄板背面无反射垫板为对比分析其残余应力，进而探究钛合金薄板背反射激光X 形焊接残余应力的分布及变化规律.

1 有限元模型

1.1 计算模型

由于焊接温度场是应力场模拟分析的基础，故首先对背反射增效激光焊接熔池温度场进行模拟，而应力场则是在温度场模拟数据的基础上，采用间接耦合方式获得. 模拟计算时所采用的激光工艺参数如表1所示.

利用所建立的正面与背面双高斯热源的三维激光焊接熔池温度场及传热过程模型对TC4钛合金薄板进行计算，试板尺寸为40 mm×26 mm×1.5 mm .根据激光焊接热影响区小、焊缝区温度梯度较大的特点，划分网格时焊缝区采用加密映射网格，远离

收稿日期：2017 - 04 - 20

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51372216)；江苏省精密与微细

制造重点实验室开放基金资助项目(KFA11250-04)

第 39 卷 第 10 期2018 年 10 月

焊 接 学 报

TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION

Vol .39(10):061 - 064, 070

October 2018

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