钛合金激光立焊烧穿和气孔缺陷及其数值模拟.pdf

第 40 卷 第 1 期 焊 接 学 报 Vol.40(1):010 − 014 2 0 1 9 年 1 月 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION January 2019 钛合金激光立焊烧穿和气孔缺陷及其数值模拟 1 1 1 2 2* Doruk Yelkenci ， 陈俊宏 ， 温 鹏 ， 常保华 ， 单际国 (1. 清华大学 机械工程系，北京　100084；2. 清华大学 先进成形制造教育部重点实验室，北京　100084) 摘 要： 采用在平焊优化过的激光焊接参数对钛合金进行立焊，立向上焊时烧穿倾向较大，气孔倾向较小；立向下 焊时烧穿倾向较小，气孔倾向较大. 基于体积分数法(VOF) 建立了追踪小孔界面的数值计算模型模拟小孔和熔池 流动行为，分析了焊接位置对激光立焊烧穿和气孔倾向的影响机制. 结果表明，立向上焊时焊接方向与重力相反， 小孔所受静水压力较小，小孔易于长大，小孔空腔所需的液态金属得不到有效补充，烧穿倾向增加. 立向下焊时焊 接方向与重力一致，小孔振荡导致崩塌卷气，所生成的气泡缺乏逸出通道，气孔倾向增加. 关键词： 激光焊接；钛合金；焊接位置；烧穿；数值模拟 中图分类号：TG 456.7 文献标识码：A doi：10.12073/j.hjxb.2019400003 0 序　　言 接熔池内部作用力和熔池流动行为受多个因素交 互影响，难以精确测量，数值模拟成为重要分析手 钛合金具有轻质高强和高温耐蚀等诸多优点， 段. 体积分数法(VOF) 不仅可以追踪多相界面，而 在航天结构中有重要应用. 激光焊接钛合金在质 且可以和凝固/熔化模型进行耦合，在激光焊接熔池 量、效率和柔性上具有综合优势，成为钛合金复杂 [5] 和小孔模拟中应用广泛. 汪任凭等人 用VOF 方 结构不可或缺的制造技术. 随着多曲面钛合金薄壁 法追踪自由界面，计算出小孔变化的动态过程与相 构件在航天结构中越来越多的应用，急需开发适应 [6] 应的温度分布. Zhao 等人 采用自适应的小孔模 全位置的激光智能焊接技术. 然而，钛合金对激光 型对激光焊接熔池流动行为进行了模拟，发现气孔 焊接参数非常敏感，在平焊、横焊和立焊等不同焊 是源于小孔震荡导致的崩塌. 接位置下的工艺优化和质量控制成为全位置激光 文中利用VOF 法建立了可以追踪小孔界面的数 焊接的主要问题. 值计算模型. 通过模拟熔池流动和小孔行为，分析了 随着激光焊接位置的改变，同样的焊接参数导 不同焊接方向和工艺参数下的钛合金激光立焊时烧 [1] 致不同的成形质量. Guo 等人 发现横焊位置下的 穿和气孔缺陷的形成过程和机理，计算模型可用于 激光焊缝表面成形(如咬边和焊缝下沉) 较平焊有 预测不同焊接位置下激光焊接钛合金的成形质量. [2] 所改善. Sohail 等人 指出不同空间位置下焊缝形 貌差别不大，对气孔率无明显影响. Goussain 等人[3] 1 激光焊接试验 发现空间位置对焊接熔深有显著影响. Chang 等人[4] 发现平焊和立向上焊的气孔量较少，横焊和立向下 试验使用最大输出功率6 kW 的 IPG 光纤激光 焊的气孔较多. 可见，目前对焊接位置的影响还存 器对厚度为3 mm 的商用Ti6Al4V 钛合金板材进 在