TC4/6061異種合金激光自熔釬焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

王志偉,劉永強(qiáng),張浩楠,范存孝

(1.中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司,陜西 西安 710089;2.航天特種材料及工藝技術(shù)研究所,北京 100074)

1 引言

產(chǎn)品零件的輕量化設(shè)計(jì)與輕量化材料的集成使用可以有效減輕零件的重量,是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑,鈦/鋁異種合金復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠在滿足材料輕量化要求的同時(shí)降低材料的使用成本,因而得到了越來(lái)越多的關(guān)注與應(yīng)用,如空中客車公司使用由鈦板與鋁肋構(gòu)成的飛機(jī)座椅導(dǎo)軌[1],不僅可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化和經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo),而且該結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)也有較大提升。然而由于鈦合金與鋁合金顯著的物理化學(xué)性質(zhì)差異使得鈦/鋁異種合金構(gòu)件焊接制造存在巨大的困難,特別是使用傳統(tǒng)熔化焊的方法進(jìn)行鈦/鋁異種合金焊接時(shí),在異種合金界面處會(huì)生成大量的脆性金屬間化合物,使得接頭的力學(xué)性能很差,從而極大地阻礙了鈦/鋁異種合金焊接結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步實(shí)用化。

激光焊接作為一種較為先進(jìn)的焊接技術(shù),與傳統(tǒng)的電弧熔焊方法相比,具有能量密度高、加熱區(qū)域集中、焊接熱影響區(qū)小以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)[2-3];在進(jìn)行異種材料的激光焊接時(shí),可以通過(guò)調(diào)整激光作用位置以達(dá)到熔化區(qū)域的精確控制,從而實(shí)現(xiàn)異種材料的熔釬焊,使得界面處化學(xué)反應(yīng)得到有效控制。為了更加深入理解界面反應(yīng)機(jī)理,本文采用有限元方法建立了TC4/6061異種合金激光自熔釬焊的移動(dòng)高斯面熱源模型,探究了不同激光功率下界面溫度場(chǎng)分布情況,并與工藝試驗(yàn)相結(jié)合,驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性,為深入理解鈦/鋁異種合金界面反應(yīng)、實(shí)現(xiàn)界面反應(yīng)控制奠定基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)方法及設(shè)置

試驗(yàn)中所采用的激光焊接設(shè)備為IPG YLS-6000光纖激光器,光纖激光器最大輸出功率為6 000 W,激光光斑直徑為0.4 mm。試驗(yàn)所用材料為T(mén)C4鈦合金(退火態(tài))和6061-T6鋁合金,材料的尺寸均為100 mm×50 mm×2 mm,其化學(xué)成分分別見(jiàn)表1和表2。在進(jìn)行激光自熔釬焊工藝試驗(yàn)時(shí),將激光偏移量(向鋁側(cè))設(shè)定為0.8 mm,激光束沿焊接方向的傾角設(shè)定為7°,激光焊接功率選擇為1 600及1 800 W,焊接速度為15 mm/s,焊接過(guò)程采用氬氣進(jìn)行正面與背部保護(hù),正面與背面保護(hù)氣的流量均為25 L/min,離焦量均設(shè)定為0。

表1 TC4的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表2 6061的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

3 溫度場(chǎng)模型建立

鈦/鋁異種合金激光自熔釬焊過(guò)程中包含復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)以及冶金等物理化學(xué)反應(yīng),激光自熔釬焊的復(fù)雜性導(dǎo)致存在著諸多影響數(shù)值模擬精度的因素[4],因此需在建立焊接模型時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理,在建立鈦/鋁異種合金激光自熔釬焊溫度場(chǎng)模擬模型時(shí)作如下假設(shè):1)材料各向同性且為連續(xù)介質(zhì);2)激光自熔釬焊過(guò)程為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程;3)忽略熔池中金屬流動(dòng)以及金屬蒸發(fā);4)不考慮焊件與夾具以及工作臺(tái)的傳熱,僅考慮焊接過(guò)程中的熱輻射以及空氣的對(duì)流換熱。

激光焊接溫度場(chǎng)分析屬于典型的非線性瞬態(tài)傳熱問(wèn)題,其三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)的控制方程為:

(1)

式中,ρ是材料密度,單位為kg/m3;c是材料比熱容,單位為J/(kg·℃);T是溫度,單位為℃;t是時(shí)間,單位為s;Q是求解域內(nèi)熱源強(qiáng)度,單位為W/m3;λ是材料熱導(dǎo)率,單位為W/(m·℃)。

3.1 焊接熱源模型的選擇

激光能量的分布情況直接影響焊接溫度場(chǎng)的分布,因此選擇恰當(dāng)?shù)暮附訜嵩茨Ｐ褪谦@得高效準(zhǔn)確模擬結(jié)果的關(guān)鍵。在激光焊接溫度場(chǎng)模擬研究中,常用的焊接熱源模型主要有高斯熱源模型、錐形熱源模型、雙橢球熱源模型以及復(fù)合熱源模型等。由于本文中所使用的鈦合金與鋁合金材料厚度只有2 mm(屬于薄板),根據(jù)其他激光焊接有限元模擬研究結(jié)果[5-7],當(dāng)材料為薄板并且焊縫深寬比較小時(shí),高斯面熱源具有良好的準(zhǔn)確性,因此本文選用高斯面熱源作為熱源的模型。

高斯熱源模型是將熱源的熱流分布近似地用高斯函數(shù)來(lái)描述,如圖1所示。高斯熱源的表面熱流度可以表達(dá)為:

(2)

圖1 高斯面熱源熱流分布示意圖

式中,q(x,y,t)是t時(shí)刻(x,y)處的表面熱流密度,單位為W/m2;r0是有效熱源半徑,單位為m;P是有效激光功率,單位為W;v是焊接速度,單位為m/s。

3.2 焊接幾何模型及網(wǎng)格劃分

如前所述,試驗(yàn)中使用的鈦合金與鋁合金板材尺寸均為100 mm×50 mm×2 mm,利用通用有限元軟件創(chuàng)建三維實(shí)體模型,所建模型如圖2所示。在進(jìn)行溫度場(chǎng)數(shù)值模擬時(shí),網(wǎng)格大小會(huì)直接關(guān)系到模擬計(jì)算結(jié)果的精確性,網(wǎng)格尺寸越小,計(jì)算結(jié)果越精確,但需花費(fèi)的計(jì)算時(shí)間也越長(zhǎng)。由于試樣尺寸相對(duì)較小,為了獲得更精確的計(jì)算結(jié)果,因此采用均勻網(wǎng)格劃分方式,網(wǎng)格尺寸為0.4 mm×0.5 mm×0.33 mm。

圖2 模型建立及網(wǎng)格劃分

3.3 材料屬性及邊界條件設(shè)置

在溫度場(chǎng)模擬時(shí)需要設(shè)置材料的熱物理性質(zhì)參數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)[8-9],TC4鈦合金以及6061鋁合金的相關(guān)熱物理參數(shù)分別見(jiàn)表3和表4。在工件與周圍介質(zhì)之間的熱量傳遞中,工件與周圍空氣之間存在對(duì)流換熱,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),將工件與空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)為30 W/(m2·℃)[10];同時(shí)將工件的初始溫度設(shè)定為20 ℃。

表3 TC4鈦合金的熱物理參數(shù)

表4 6061鋁合金的熱物理參數(shù)

4 結(jié)果與討論

4.1 溫度場(chǎng)分析

為了探究鈦/鋁異種合金激光自熔釬焊的界面溫度分布情況,選取了界面上典型的3個(gè)節(jié)點(diǎn)分別代表界面上部(point1)、中部(point2)、下部(point3)的溫度分布情況。圖3所示為激光功率1 600 W、焊接速度15 mm/s時(shí)鈦/鋁界面不同位置的熱循環(huán)曲線,鈦/鋁異種合金接頭界面上部(point1)、中部(point2)與下部(point3)的峰值溫度分別為1 299、984和865 ℃,可以看出,界面上部與下部的峰值溫度相差較大,峰值溫度越高,界面反應(yīng)程度越劇烈。通常情況下,界面上部溫度較高,生成的金屬間化合物層厚度也會(huì)較大,界面下部溫度較低,生成的金屬間化合物層的厚度較小,因此界面層不同位置的金屬間化合物層厚度將呈現(xiàn)出不均勻的現(xiàn)象,最終導(dǎo)致鈦/鋁異種接頭的性能不均勻性。

圖3 激光功率1 600 W的鈦/鋁界面不同位置處的熱循環(huán)曲線

圖4所示為激光功率1 800 W、焊接速度15 mm/s時(shí)鈦/鋁界面不同位置的熱循環(huán)曲線,鈦/鋁異種合金接頭界面上部(point1)、中部(point2)與下部(point3)的峰值溫度分別為1 478、1 119和982 ℃?？梢钥闯?隨著激光功率增加,鈦/鋁異種合金接頭界面溫度逐漸增加,這將導(dǎo)致界面反應(yīng)更加劇烈,與激光功率1 600 W、焊接速度15 mm/s時(shí)相比,界面上部溫度增加程度比界面下部更加顯著,界面上部與下部的峰值溫度梯度更大,這將導(dǎo)致其界面反應(yīng)程度差異更大,界面金屬間化合物厚度的不均勻性更加明顯,鈦/鋁異種接頭的性能不均勻性也會(huì)更加顯著,因此在保證焊接質(zhì)量的前提下,盡量選擇小的激光功率,降低界面反應(yīng)的不均勻程度,改善接頭性能的不均勻性。

圖4 激光功率1 800 W的鈦/鋁界面不同位置處的熱循環(huán)曲線

4.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建立TC4/6061異種合金激光自熔釬焊模型的正確性,采用焊縫橫截面形貌對(duì)所建立的模型模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,圖5所示為激光功率1 600與1 800 W(焊接速度15 mm/s)時(shí)TC4/6061異種合金接頭橫截面形貌的模擬與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。當(dāng)激光功率為1 600 W時(shí),鈦/鋁異種接頭正面和背面的熔寬實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果分別為3.28和2.88 mm以及3.23和2.91 mm;當(dāng)激光功率為1 800 W時(shí),鈦/鋁異種接頭正面和背面熔寬實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果分別為3.4和3.25 mm以及3.32和3.27 mm?？梢钥闯?預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較高的一致性,因此,可以說(shuō)明本文所建立的鈦/鋁異種合金激光自熔釬焊溫度場(chǎng)模型是合理的。除此之外,可以看出,鈦/鋁異種合金接頭鈦/鋁兩側(cè)的溫度場(chǎng)分布差異很大,在鈦合金一側(cè)等溫線分布密集,溫度梯度大;而在鋁合金一側(cè)等溫線分布相對(duì)稀疏,溫度梯度小。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是鈦合金與鋁合金的熱導(dǎo)率相差很大,鈦合金與鋁合金在常溫下的熱導(dǎo)率分別為13.8及206.8 W/(m·K),因此在焊接時(shí),熱量在鋁合金側(cè)傳導(dǎo)更快,從而導(dǎo)致鋁合金側(cè)溫度梯度比鈦合金側(cè)的溫度梯度小,并最終出現(xiàn)了溫度場(chǎng)分布不對(duì)稱的現(xiàn)象。

a) 1 600 W

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)建立了TC4/6061異種合金激光自熔釬焊的移動(dòng)高斯面熱源模型,并通過(guò)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合,證明所建立的移動(dòng)熱源模型具有良好的準(zhǔn)確性。

2)當(dāng)激光功率為1 600 W、焊接速度為15 mm/s時(shí),TC4/6061異種合金接頭界面上部、中部與下部的峰值溫度分別為1 299、984和865 ℃;當(dāng)激光功率為1 800 W、焊接速度為15 mm/s時(shí),界面上部、中部與下部的峰值溫度分別為1 478、1 119和982 ℃。激光功率的增加導(dǎo)致鈦/鋁界面從上部到下部的峰值溫度梯度增加,界面反應(yīng)差異程度變大,鈦/鋁異種接頭的性能不均勻性增加。

3)由于鈦合金與鋁合金的熱導(dǎo)率巨大差異,鈦/鋁異種合金界面溫度分布呈現(xiàn)不對(duì)稱性,鈦合金側(cè)等溫線分布密集,溫度梯度大,而在鋁合金側(cè)等溫線分布相對(duì)稀疏,溫度梯度小。