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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
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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。
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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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