钛合金电子束焊接温度场分析及其有限元模拟.pdfVIP

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第九次全国焊接台议论文集 钛合金电子束焊接温度场分析及有限元模拟 南京航空航天大学康继东谭华高德平陈士煊 摘要针对钛合金电子束焊接温度场.本文提供了考虑小孔效应,以表面张力梯度为驱动力的三维温 度场解析模型。同时,给出了电:F束焊接温度场的有限无模拟方法。对铁台金平扳试件的算例表明,两 种方洼的结果一致。 0引言 电子束焊接是最为成熟的一种高能束流加工方法,在焊接结构制造中得到了广泛应 用。电子束焊接具有高能量密度,加热范围窄,加热冷却速度极快,特别是其利用独特 的直接加热方式,有显著的小孔效应。以上特点决定着电子束焊接过程和普通熔化焊有 明显的不同,并对焊接应力和变形产生重要影响。因而,有必要对电子束焊接过程进行 深入研究。而作为首要问题,应对电子束焊接温度场进行分析,这也是进行应力变形分 析与控制的基础。 本文针对钛合金电子束焊接,提供了熔池中的液体和周围的热影响区的三维温度场 解析模型,并计算了熔池中晌液体和周围的热影响区的三维温度场分布,同时采用有限 元法对电子束焊接温度场进行了模拟并与解析方法进行了对比分析。 1电子束焊接三维温度场解析模型 r件相对电子束以一定速度移动,当底部材料到达能量柬落点处就被熔化,围绕充 满蒸气的熔池壁有一薄层流体,流向熔池后部冷却和凝固。为简化分析‘1】t熔池形状理想 化为一抛物体。同时作必要的假设后,有以F热传导方程, 一u婴刮粤.+窭)鸠粤 (1) 2 2 ax av: ax az 其中dz为考虑小iL效应、在流体流动方向上增强的热扩散率。对温度无因次化,将 2—418 第九次全国焊接会议论文集 并采用分离变量法,最后可得: 目:兰挲exp(~历cos妒一掣)妻Ao,eL;。抑(咖) 印P = 2)2( 式中0为无囡次温度,0=T/T。,T。为材料熔点。A。的表达式见文献fI】。 由熔池底部力平衡公式,经必要的推导后,在熔池底部液气界面处有: 矿盟鬻趔脚觇赫】 ㈩ %称作形状因子。其确定步骤如下:1)已知无因次柬流功率Q、熔池开口半径r0、 5)反重迭代2)~4),直至得到一个既满足力平衡条件又满足温度公式的熔池表面坐标 仇。一般来说,往往可得到两个不同的仇解.故应有6)由热力学第二定律判定出唯一 的熔池表面坐标仉。 仇确定后,由C2)式即可得到熔池及其周围的温度场,并预测出焊缝形状,即口-l 位置。 2电子束焊接温度场的有限元模拟 2.1基本假设 在本文的电子柬温度场有限元法模拟中,定义电子柬斑面积为主要加热区,90%的能 量加在这个区域,另外lo%的能量加在柬斑外面的区域。热物理性参数可以表示成温度 的屈服应力的在800。C时已很低,在计算中可不考虑相变问题。焊件边界处理为绝热边 界条件。本文开发利用了ANSYS有限元软件,使之适于电f束焊接分析。 2—419 第九次全国焊接会议论文巢 2.2有限元模型 解析法中计算所崩热物哩参数是取温度范围的平均值,同时没有考虑相变问题。故 有限元法中,各种热物理参数取值与之一致。电子束功率Q=1000W,电子束束径为0.25mm, 热传导率五=16m/K,比热c=j|00J/KgK,密度J,j4480Kg/m3,近似对流参数S=0.2.即垂直 方向的热传导率为其余方州r-的5倍。在焊缝中心线上,边界条件为热对称边界,而其 它边界为绝热边界条件,单,nj为ANSYS程序中热70号八节点实体单元。单元网格在电子 束斑点处划分较细.与束黟,^小对应.如图l所示。图中最右边是焊缝中心面。 矧1平板模型网格图 在电子束焊接瞬态热传导温度场的有限元求解中,采

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