摘要：激光深熔焊接溫度場分析對于焊接應力、變形與接頭組織性能預測，優化焊接工藝，保證焊接結構的制造質量等方面具有重要意義。針對激光深熔焊特點，采用組合熱源模型與瞬態有限元方法，通過確定合理的能量分配系數，依據熔池邊界準則，對鈦合金T 型接頭激光深熔焊的三維溫度場進行了模擬研究。

　　關鍵詞：鈦合金 激光焊 組合熱源 溫度場

　　1 引言

　　激光焊作為一種高能束焊接方法，廣泛應用于高精度、高質量的現代工業焊接領域。

　　由于激光焊是一個快速、不均勻的熱循環過程，焊接區域溫度梯度極大，對結構焊后的殘余應力和變形有重大影響，成為焊接結構質量和使用性能的重要作用因素，所以準確地認識焊接熱過程，對焊接應力與變形預測控制、組織性能分析及保證結構質量具有重要意義。

　　針對激光深熔焊機制，國外從70 年代以來，就有很多學者[1~4]對其進行了深入的研究，提出了描述激光深熔穿透過程的蒸汽小孔模型；研究了熔池形狀以及熔池中金屬的流動和熱流分布；考慮被焊材料的電子密度、離子化程度、等離子體對入射激光吸收系數的影響和激光焊接工藝參數對熔深的影響，建立了不同的能量吸收模型。近年來，國內有關激光焊接機理及激光焊接溫度場與力學場的數值模擬方面的研究也正在引起重視[5~12]。

　　激光深熔焊熱過程分析表明，普通熔焊的熱源模型不適合激光深熔焊特點，而嚴格按照“小孔”穿透機理進行溫度場分析又很難適應工程實際的需要。根據焊接傳熱機制，焊件的整體溫度場與焊接熔池邊界向周圍焊件傳遞的熱量密切相關，因此，建立能夠模擬激光深熔焊熔池邊界的熱源模型對于實際焊件的溫度場分析十分必要。本文根據激光深熔焊工藝分析的實際需要，對TC4（Ti-6Al-4V）和ZT4（Ti-6Al-4V）兩種工業鈦合金激光深熔焊接時的溫度場進行了數值模擬。

　　2 激光深熔焊熱源模型

　　2.1 激光深熔焊的基本特征

　　當激光功率達到106W/cm2 時，激光能量向工件輸入的速率遠大于傳導、對流、輻射散熱的速率，材料表面產生汽化而形成匙孔，激光能量是通過匙孔而進行轉換和傳遞的。

　　激光深熔焊接中熔池與匙孔如圖1。焊件表面被加熱、熔化、蒸發，在蒸汽壓力的作用下形成匙孔，當匙孔產生的蒸汽壓力與熔池中液體金屬的靜應力達到平衡時，匙孔穩定存在。

　　圖1 激光深熔焊接示意圖

　　激光深熔焊由于匙孔的穿透作用，焊縫截面形貌特征為釘形焊縫[4]，焊縫的深寬比遠大于普通熔焊焊縫。

　　2.2 熱源模型

　　對于焊接熱過程模擬，當穿透深度較小時，例如普通熔焊的傳熱分析，使用面熱源模型就可以較好地模擬溫度場。其所模擬的焊縫熔寬較大，熔深較小，熔池呈淺碟型，在深度方向上，是呈半圓形的，然而對于高功率密度熱源的激光深熔焊接，面熱源模型忽略了激光對于表面以下熔池的挖掘作用，此時可以采用體熱源進行分析，模擬的熔池形狀與實際的焊縫熔合線在熔深方向上較為吻合，但是熔池表面附近區域仍舊無法模擬。

　　為了模擬出具有大釘頭小釘身的激光深熔焊焊縫，使用面熱源和體熱源兩種類型熱源相組合的模型是一種合理的方案，這樣模擬的熔池形狀才與實際的焊縫熔合線基本吻合。

　　在體熱源模型中，峰值熱流沿深度遞增的旋轉體熱源模型是一種比較符合深熔焊實際傳熱過程的焊接熱源模型，因為它不僅考慮了深度方向熱流作用半徑的衰減，將生熱質點限定在熔池區域范圍，而且對深度方向生熱質點的功率消耗進

　　行了有效的補償。所以在組合熱源中，表面熱源取高斯型熱流分布面熱源模型，而體熱源取峰值熱流遞增的旋轉體熱源，其模式如圖2所示。其中面熱源控制表面熔池和釘形焊縫的釘頭部分，體熱源反映匙孔效應導致的深層液體薄層和“釘形”焊縫。

　　圖2 組合熱源模型示意圖

　　總的輸入功率在組合熱源中需要按一定比例分配，總熱流等于表面熱流與體積熱流兩者之和。即：

　　Ps + Pv = P（1）

　　式中 Ps、Pv 分別為面熱源和體熱源的功率，P 為熱源的有效功率。

　　將面熱源功率所占總有效輸入功率的比例系數稱為能量分配系數，用γ來表示，則有：

　　Ps = γP , Pv = (1-γ)P （2）

　　能量分配系數表征了焊縫橫截面上沿深度方向能量沉積的分布規律，它直接決定了焊縫的深寬比，這樣也就基本決定了焊縫截面形貌特征。能量分配系數的取值主要取決于激光深熔焊接時的離焦量、焊接速度以及熱擴散系數等。

　　移動高斯面熱源模型為：

　　(3) 式中，ν為焊接熱源移動速度，時間因子τ定義了t=0 時的熱源位置，r0 為熱流密度降為最大熱流密度的5%處的點到熱源中心的徑向距離。峰值熱流遞增型旋轉體熱源的一般形式可以表示為：

　　式中 I(z)為峰值熱流遞增函數，將該遞增函數與9Pv/(πhr20)合并考慮，就可以表示峰值熱流沿深度方向的遞增關系，對于深度方向生熱質點的功率消耗進行了有效的補償。r1(z)表示旋轉體的熱流作用半徑沿深度衰減。

　　峰值熱流遞增函數以及旋轉體的半徑衰減函數形式的選擇較為靈活，這兩個函數的選取大體上取決于焊縫的形貌特征。一旦設定了這兩個函數，就可以利用功率平衡方程求解相應的峰值熱流遞增型旋轉體熱源模型。

　　在激光深熔焊溫度場分析中，移動高斯面熱源是作為熱流密度施加在面單元上的，而峰值熱流遞增型旋轉體熱源是作為生熱率施加在整個單元體上的。

　　3 鈦合金激光深熔焊溫度場模擬

　　3.1 幾何模型

　　鈦合金激光焊接T 型接頭實際幾何模型焊件如圖4。其中，翼板材料為TC4 鈦合金，厚度1.7mm，長度60mm，寬度20mm，腹板材料為ZT4 鈦合金，厚度10mm，高度12.3mm，長度60mm。TC4 是一種á＋? 型的變形鈦合金，屬于

　　Ti-Al-V 系合金，而ZT4 是一種鑄造鈦合金，屬于中強結構合金。

　　圖4 T型接頭的幾何尺寸模型

　　3.2 熱物理參數

　　選取激光焊接功率2kW，焊接速度1.5m/min，焊接熱效率0.85，能量分配系數0.3。進行模擬所需的材料常物理參數見表1，圖5 為熱物理參數隨溫度變化的曲線。

　　表1 材料的常物理參數

　　3.3 有限元網格劃分

　　為了減小激光焊接溫度場模擬的分析規模，取工件的一半長度（30mm）進行模擬，這樣也可以模擬出400℃的分布范圍，符合實際需要。如果在相同尺寸的網格劃分條件下，對整個結構全長進行模擬則需要近20 萬個結點，這在PC 上是難于進行而且相當耗時的。

　　溫度場模擬采用ANSYS 通用有限元分析軟件。為了能夠清楚地模擬出焊縫熔合線形狀，在經歷高溫熱循環的焊縫和熱影響區采用加密映射網格，網格間距約為0.2mm。在遠離焊縫的峰值溫度較低的區域采用間距較大的自由網格劃分。有限元網格劃分如圖6 所示，計算時將熱流和對流施加于面網格Plane55 上。

　　圖6 有限元網格

　　4 溫度場模擬結果分析

　　圖7a~7b 分別給出了熱源處于兩個不同位置（或不同時刻）的溫度場分布，其中，圖7a 為焊接熱源在焊接方向上從起始點移動9mm 時的焊接溫度場分布，圖7b 為焊接熱源在焊接方向上從起始點移動18mm 時的焊接溫度場分布。模擬結果表明，激光焊接熱源向前移動一定距離后，與焊接方向垂直的焊縫橫截面上的溫度場分布基本處于穩定狀態。

　　圖7 溫度場模擬結果

　　圖8 為模擬熔池邊界與實際焊縫熔合線的比較，其中細實線為液固邊界。從圖中可以看出，模擬的焊接熔池形貌和焊縫熔合線相似，因此可以認為利用面熱源與峰值熱流遞增型旋轉體熱源的組合熱源形式模擬激光深熔焊接溫度場是合理的。

　　圖8 模擬熔池邊界與焊縫熔合線對比

　　鈦合金在溫度高于400℃時會發生氧化反應，在激光焊接過程中通常需要對溫度高于400℃以上的區域采取特殊保護措施，因此模擬400℃臨界溫度區域邊界對鈦合金的激光焊接工藝具有重要指導意義。

　　圖9 給出了400℃臨界區域模擬結果，圖中實線表示了400℃等溫線。

　　圖9 鈦合金激光焊400℃臨界保護區域

　　由圖9a 可以測量出，在翼板上表面需要保護的臨界區域尺寸是20.7mm×11.3mm，有效保護區不宜小于此尺寸。由圖9b 可以看出，在垂直于焊縫的橫截面上，400℃等溫線全面位于焊件內部，所以在翼板與腹板連接交角處不需要進行保護。

　　5 結論

　　5.1 選取合適的熱源模型是進行激光深熔焊焊接溫度場模擬的基礎，通過對激光深熔焊接小孔模型的分析，指出使用高斯面熱源疊加峰值熱流遞增型旋轉體熱源的組合熱源模型是研究激光深熔焊接溫度場合理的熱源模式。

　　5.2 在組合熱源模型中，能量分配系數反映了激光深熔焊過程中能量沿深度方向上的沉積特征，對焊縫深寬比的模擬結果具有重要影響。通過合理選取能量分配系數可對激光深熔溫度場進行有效的模擬研究。

　　5.3 通過對TC4 和ZT4 鈦合金T 形接頭激光深熔焊接溫度場的模擬，確定了焊接時需要保護的臨界區域，驗證了組合熱源模擬激光深熔焊接溫度場的適用性。