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钛合金激光焊接工艺研究及激光穿透焊温度场数值模拟

摘要
钛及钛合金因其比强度大和优良的耐酸腐蚀性能，在各行各业中得到越来越广泛的应用。激光焊接由于具有能量集中、焊缝成形好、操作简单、易于监测等优点，非常适合焊接钛合金材料。

论文通过激光焊接试验表明钛合金激光焊接的主要缺陷是气孔，空气中的氧气、氮气和工件表面的水分是造成气孔的主要原因。钛合金激光焊接焊缝强度、硬度提高，塑性、弯曲性能下降。对1．8mm厚P20型钛合金板激光拼焊推荐工艺参数为激光功率1600～1800W，焊接速度2．7～3．6ndmin。

激光穿透焊接过程包含着一系列复杂的物理、化学反应现象，表现出快速、复杂、多维、多参数影响等特点。激光与材料相互作用时，因聚焦激光束功率密度高(通常高达10。W／cm2以上)，被焊材料在极短时间内熔化、汽化乃至蒸发，从而形成小孔，并出现激光诱导的等离子体。在激光焊接过程中，光致等离子体、小孔以及熔池的行为决定了焊缝成形以及焊接质量。对激光焊接的模拟尽管前人已经作了大量的研究，但是对激光穿透焊接三维温度场的实时再现仍存在一定的局限。目前，虽然ANSYS(一种大型有限元软件)正在成为有限元模拟领域研究的热点，但国内外还未见将其应用在激光焊接过程数值模拟的相关报道。

论文探讨了基于ANSYS软件进行激光穿透焊接三维温度场数值模拟的若干关键问题。论文采用球状热源和柱状热源相结合的双热源模型，用APDL语言开发的ANSYS计算程序，能有效地对激光穿透焊接过程三维温度场变化情况进行模拟。论文还针对使用ANSYS软件要求较高的特点，采用面向对象程序设计的方法进行二次开发，在VC++6．0开发环境下将其封装。这样，通过其友好的人机界面，激光焊接专家只需输入激光穿透焊接工艺参数即可自动调用ANSYS模块进行后台计算，而勿需专门学习有限元理论和ANSYS软件，方便了用户的使用。

关键词：钛合金激光弹接激光穿逸焊三维温度场数宿模拟

ABSTRACT
Withtheadvantagesofhighstrength—to—weightrmio，excellentcorrosionsresistance，
titaniumandtitaniumalloyhavebeenappliedmoreandmorewidelyinmanyfields．The
laserweldingissuitableforthetitaniumandtitaniumalloybecauseofitsllighpower
density,goodweldingperformance，andeasyinspection．
Basedonexperimentsoftitaniumlaserwelding，theresultshowsporesareacomnqon
defectintheweldforlaserweldingoftitaniumalloys．The02，N2intheairandtheH20
absorbedOnthesurfaceoftheworkpiecearethemainresourceofthesepores．The
titaniumweld、vimlaserweldinghashigherstrengthandhardness，lowerductilitythan
thoseofbasematerials．Forthelaserweldingoftitaniumalloywitll1．8mmthickness．1aser
power1600～1800Wandweldingspeed2．7-3．6m／minwererecommendedinthethesis．
Theprocessoflaserfull—penetrationweldingincludesaserialofphysicalandchemicalphenomena．Theinteractionofhighpowerlaserbeamwit}lthetargetmaterialsis
acomplex，muti—dimensionalandmuff-parametersystem．Atpowerdensityoftheorderof
106W／cm2typicallyusedindeeppenetrationwelding，theirradiatedsurfacebecomes
moltenandsubsequentlyvaporizesformingacavityknownaskeyholefilledwithlaser-inducedplasma．Theweldingperformanceisstronglydeterminedbythebehaviorofthelaser-indu