钛合金薄板激光焊接变形控制答辩讲稿

钛合金薄板激光焊接变形控制答辩讲稿1、各位答辩老师，下午好。我叫刘西霞，我的论文题目是钛合金薄板激光焊接变形控制。2、下面，我将分别从：研究目的及意义、论文的主要研究内容、研究方法与思路介绍、研究过程分析及全文总结展望这五个小节来演示和说明本论文的研究进展。3、首先是本课题的研究目的及意义。我为什么要研究钛合金薄板的激光焊接变形？就目前的应用及研究现状来说，（1）钛合金由于具有材料轻质、耐高温、耐腐蚀、高强度、高刚度、疲劳寿命长以及抗冲击能力强等良好综合性能，在各行业具有广泛的应用，尤其是在航空航天工业中备受青睐；（2）以往航空产业中对于钛合金的焊接采用真空电子束焊，但是真空室的限制使得电子束焊接不适合大尺寸结构的焊接，也不利于大批量的生产，而激光焊接在焊接精度、效率、可靠性、自动化等方面具有较大优势，因而在钛合金焊接方面的应用越来越受到重视。（3）钛合金材料较 低的弹性模量使得其焊接应力和变形问题十分显著， 尽管激光焊接的变形相对 其 他焊接方法要小很多，但在某些极小变形要求的场合仍难以满足。因此，本文选择对钛合金薄板激光焊接的变形控制这一方向进行深入研究。4、本论文的主要工作内容归结起来包括以下三个方面：钛合金激光焊接的数值模拟（应力预测）、焊接变形的测量及变形的控制。5、现在，我们进入第三小节。研究思路的介绍。本文采用数值模拟与试验分析相结合的手段来进行研究，针对每项研究内容采取的研究思路与方法如下：（1） 首先，焊接的数值模拟包括：温度场数值模拟与应力场数值模拟。其中温度场模拟是应力场模拟的基础。具体的实现过程会在后面进行简要介绍。（2） 其次，利用相机拍摄的方法分析了钛合金的焊接变形特征，并在此基础上搭建了用于焊接纵向挠曲变形测量的移动式千分表测量系统。并围绕TC4钛合金激光焊接及焊后变形测量进行了工艺试验，研究了其变形特征以及线能量对焊后变形的影响。（3） 最后，对于焊接变形的控制，提出了一种焊接过程中变形主动控制的随焊气体动态冷却方法（Synchronousskrns Gas Cooling during Welding），简称SGCW。并采用该方法进行了工艺试验，研究了该技术运用中冷源参数对变形控制效果的影响，对比分析了常规激光焊和SGCW焊接获得的试件的焊接变形与残余应力，接头组织以及力学性能。6、介绍完研究思路，我们进入本文的重点部分，论文研究过程分析及细节讨论：（1） 首先介绍温度场数值模拟。 第一步是建立钛合金激光焊接的三维非线性瞬态热传导计算模型。左图为焊接过程导热物理模型。图中1为对称面，绝热边界条件；三个侧面234为空气对流边界；56上下两个面为考虑氩气的强制对流边界。工件的初始温度与周围环境温度相同为T0 = 20。右边为该三维非线性瞬态热传导问题的控制方程，式中，c为材料的比热容、为材料的密度，为材料的导热系数，T为材料温度函数，t为时间，Q为内热源。模拟过程中选取了面热源和体热源共同作用的组合热源模型，考虑了材料热物理性能参数的温度依存性和保护气体的强制对流等边界条件。7、 第二步是利用ANSYS实现焊接温度场模拟。步骤如下，包括建模、加载、求解、后处理四大块。8、 建模又包括选择热源模型、建立几何模型，选择单元，输入随温度变化的热物理性能参数、划分网格等。其中重点介绍一下所选取的热源模型为组合热源。包括高斯面热源和高度方向上均匀分布的高斯圆柱体热源。9、 最后就是温度场模拟结果的分析。本页选取了一些模拟结果，上面三幅图为焊接加热过程中不同时刻焊件的温度场分布情况，由图可以看出，激光焊接开始一段时间后会形成类似流星状的稳定温度场，热源前方温度梯度大、等温线密集，而后方温度梯度相对较小，等温线相对稀疏。同时，随着焊接的进行，温度值的分布基本上随着热源的移动而平移。激光焊接过程中焊缝的热影响区比较小，400以上的高温区域宽度在6mm以下。下面一行前两幅图分别是焊缝上表面中心线和垂直焊缝方向的热循环曲线。从图中可以看出，当激光光斑作用到焊件表面使得直接作用区域的温度急剧上升，曲线随时间迅速达到最高然后又迅速下降，即激光焊接过程中材料不仅温度迅速上升，其冷却速度也非常大，在4秒内就会冷却到800 以下。而其最高温度由于热传导介质不同的缘故，呈现比较明显的边界效应。前后端点的温度差别比较大，中间几个点的最高温度相仿。在焊缝中心，温度峰值最高，达到5800 的虚拟高温。在离焊缝中心1.2 mm处NO.20点的最高温度接近材料熔点温度，说明模拟出的熔池宽度约为2.4 mm左右，而实际试验测得的熔池宽度为2.5 mm，与模拟结果相差不大。最后一幅图体现模拟得到的熔池边界与试验所得的焊缝截面的熔合线基本一致，模拟出的焊缝形貌与试验所得焊缝形貌相吻合，验证了模拟结果的准确性10、 接下来介绍应力场的数值模拟ANSYS中通常用来进行热和结构耦合分析的方法有顺序耦合方法（又叫间接耦合法）和直接耦合法两种。本文在分析时采用间接耦合法来模拟钛合金薄板的激光焊接应力与变形，分析步骤如左图所示。在计算应力场之前将温度场模型的热单元 SOLID70和SOLID90转变为结构单元SOLID185和SOLID186。为了模拟试件自由焊接时残余应力和变形，同时又保证模型不产生刚性位移，使求解过程稳定而且不发散，需要对有限元模型进行约束，计算时耦合到公式(4.20)中。约束情况如下：在起焊点O上施加X，Y，Z三个方向的约束，即令O点X，Y，Z三个方向的为零；在焊缝中心截面的底边OA上施加Z方向约束，即令OA边上节点Z方向的为零；而在焊缝中心截面处施加对称约束，即限制该面上的节点只能在XZ面内平移，使其Y方向的均为零，如右图所示。11、 下面是应力场的模拟结果截取图中四幅图分别是焊接进行到不同位置时整个焊件的等效应力分布的动态变化情况。图中可以看出，焊件热影响区附近的应力最大。此外，比较不同时刻的云图可知，随着焊接时间增加，应力相应的增大。这是由于随着激光能量的输入的增加，引起母材的热膨胀量也增大从而导致应力变形的增大。12、 各时刻焊缝中心线AD上的点沿着焊接方向的纵向应力分布如图所示。可以看出，熔池前部存在很大的压应力，并且压应力区域的前端逐渐的转变为拉应力，而熔池的尾部区域为拉应力。13、 以上是焊接过程数值模拟的相关内容，研究1.5 mm厚钛合金薄板激光对接焊工艺中温度场与应力场的分布规律，从而预测焊接应力产生和变化的全过程，能够为提出焊接变形控制方法提供理论依据。模拟完成了，那么焊接变形如何测量呢？为了设计出合理的变形测量装置，首先需要对其变形特征进行分析。采用相机拍摄了钛合金激光焊接过程，发现TC4钛合金薄板激光焊接时出现典型的失稳变形，表现为较大的纵向挠曲变形和变化的纵向变形方向，并且试件的失稳变形并不是发生在激光光束加热时，而是出现在焊后冷却的过程中。14、 因此，针对钛合金焊后的纵向挠曲变形特征，为了避免焊接过程中机械底脚与温度变化的焊件表面的接触带来的误差以及焊接时测量仪表与焊接头的运动干涉，搭建了如图所示的移动式千分表测量系统。运用该装置测量时的系统误差小于31 m，即测量精度为0.031mm。15、 进行钛合金激光焊接试验变形，运用移动式千分表测量系统测量相同功率不同速度下的变形量，获得如图所示的变形与线能量输入关系图。由图可知，焊接时减小线能量的输入能够起到减小焊接变形的作用。但是，由于线能量输入受到焊缝熔透性的限制，那么，能不能设计一种控制焊接变形的有效手段呢?焊接变形是由于焊接的应力产生的，而焊接应力的存在是由于焊接过程中温度快速而不均匀的变化。采用焊接过程中局部冷却的方法可以控制焊缝熔池后端高温区的温升，在被焊区域产生局部的可控温度场，改善该区域的应力场分布，从而控制焊接不协调应变的形成，以达到减小焊接变形的目的。因此，本文提出了一种焊接过程中变形主动控制的随焊气体动态冷却方法，简称SGCW.16、 这几张图描述了SGCW方法的原理以及结构。该系统由液氮冷却装置、激光热源焊接头和夹持连接器等三部分组成，采用被液氮冷却装置冷却的氩气作为冷却介质，对钛合金激光焊接过程中激光热源的后部进行跟随激冷，从而达到减小钛合金薄板激光焊接变形的目的。17、 采用SGCW技术，对钛合金激光焊接变形控制进行了工艺试验。研究了冷源参数对焊接变形控制效果的影响。从图中可以明显看出，随着冷热源间距d的增大，试件的纵向挠曲变形先减小后增大。当d为10 mm,速度为15mm/s时，焊接变形从常规激光焊的0.519mm减小到了0.187mm,不到试件长度的千分之一。在10mm/s 的速度下，当D取10与15mm时，变形从常规激光焊接的4.532mm分别减小到了1.31mm和1.296mm。而随着冷源流量的增加，试件变形量减小。10mm/s 的速度下当Q为10L/min时，变形从常规激光焊接的4.532减小到了1.31mm,减小了246%。综上，只要冷热源间距离适中，冷源介质流量保持一定值，就可以得到较好的变形控制效果。（本文中当d 取1015 mm，q 取10 L/min时，变形量最小，变形控制效果最好）18、 SGCW试件与常规激光焊试件的对比分析表明：SGCW试件的纵向挠曲变形与焊后等效残余应力均小于常规激光焊试件；两种方法获得的焊接接头组织没有明显的差别，氩气冷源对接头的金相组织没有影响；两种方法获得的接头屈服强度与抗拉强度均达到母材，氩气冷源对接头的拉伸性能没有影响。19、 总结一下本论文的研究成果。1. 提出了钛合金激光焊接变形控制方法SGCW,构建了相关装置系统，并实验验证了方法的可行性与有效性。 2. 搭建了移动式千分表测量系统，试验研究了钛合金薄板激光