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摘 要

TC4钛合金具有组织稳定性好，比强度和热强度高以及优异的耐腐蚀性能等。本文基于ANSYS软件，选用高斯热源分布模型， 建立了TC4钛合金MIG焊接接头有限元模型，对温度场和应力场进行了研究，并分析了不同焊接电流对温度场和应力场的影响。本文主要研究内容及结论如下：

（1）焊接熔池外围的等温线呈卵形，在焊接的1s时接头的最高温度可达到1168℃；在焊接的20s时接头上出现准稳态温度场，最高温度约为2070℃；冷却到370s时，焊缝中心区域约为90℃，热源温度场较均匀，温度分布较为合理。

（2）对于路径I，焊缝中心处Mises应力约为620MPa，焊缝中心X方向应力约为570Mpa，焊缝中心处Y方向应力约为26MPa。对于路径II，焊缝处的最大的Mises应力为644Mpa，焊缝处X方向应力最大约为586MPa，焊缝处Y向应力最大约为83MPa。

（3）在焊接电压和速度不变的情况下

电流为120A时，最高温度为2070℃，焊缝中心处的Mises应力为627Mpa，焊缝中心处的X方向应力为570MPa。焊缝中心处的Y方向应力为26MPa；电流为110A时，最高温度为1932℃，焊缝中心Mises应力为530MPa，焊缝中心X方向应力为530MPa。焊缝中心Y方向应力为27MPa；电流为100A时，最高温度为1797℃，焊缝中心Mises应力为560MPa，焊缝中心X方向应力为500MPa。焊缝中心Y方向应力为41MPa。

关键词：TC4 钛合金 MIG焊接 ANSYS软件 数值模拟

ABSTRACT

TC4 titanium alloy has a good microstructure, high specific strength, and excellent corrosion resistance. Based on ANSYS software, the finite element model of TC4 titanium alloy MIG welded joints is established by the heat source model of Gauss distribution. The temperature field and the stress field were studied, and the influence of different welding currents on the temperature field and the stress field were also analyzed. The main research contents and conclusions are as follows:

(1) The peripheral isotherms of the weld pool are oval, and the maximum temperature of the joint reaches 1168℃ at 1s. The quasi-steady temperature field occurs at the joint after 20 seconds welding, and the maximum temperature is about 2070℃. The temperature at the center of weld is about 90℃ after 370s. Meanwhile, the temperature is uniform, and the temperature distribution is reasonable.

(2) For path I, Mises stress at the center of weld is about 620MPa, X-direction stress is about 570MPa. Y-direction stress is about 26MPa. For path II, the maximum Mises stress at the center of the weld is 644MPa. The maximum stress in X-direction is about 586MPa, and the maximum stress in Y-direction is about 83MPa.

(3) When the current is 120A, the maximum temperature is 2070℃, and Mises stress at the center of weld is 627MPa, the weld stress in X-direction is 570MPa. The weld stress in Y-direction is 26MPa. When the current is 110A, the maximum temperature of 1932 ℃, and Mises stress at the center of weld is 530MPa, the weld stress in X-direction is 530MPa, the weld stress in Y-direction is 27MPa. When the current is 100A, the maximum temperature is 1797 ℃, and Mises stress at the center of weld is 560MPa, the weld stress in X-direction is 500MPa, the weld stress in Y-direction is 41MPa.

Keywords: TC4 titanium alloy; MIG welding; ANSYS software; Numerical simulation

目 录

摘要 1

ABSTRACT 2

第一章 绪 论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 钛合金的性质 1

1.3 TC4钛合金的应用 1

1.3.1航天工程 1

1.3.2生物医学工程 2

1.3.3一般工业领域 2

1.4 钛合金的焊接性分析 2

1.4.1焊接接头的脆化 2

1.4.2焊接裂纹 3

1.4.3焊缝气孔 3

1.5 TC4 钛合金的焊接工艺 4

1.6 本课题的研究内容与方法 4

第二章 焊接基础与有限元模型建立 5

2.1有限元分析的理论基础 6

2.1.1焊接过程数值模拟研究 6

2.1.2焊接温度场数值模拟研究 6

2.2焊接温度场理论 6

2.3焊接热源模型 7

2.4钛合金的属性 8

2.5牛顿—拉普森(Newton-Raphson)平衡迭代 9

2.6子步数与时间步长 10

2.7耦合场计算 10

2.8有限元分析模型的建立及网格划分 11

2.8.1模型建立 11

2.8.2网格划分 12

2.9边界条件处理 13

2.9.1位移边界条件 13

2.9.2热边界条件 13

第三章 焊接数值模拟结果分析 13

3.1焊接温度场的计算结果 14

3.1.1不同时刻温度场云图 14

3.1.2焊接温度的热循环 15

3.2焊接接头应力场计算分析 20

3.2.1不同时刻的应力云图 20

3.2.2应力分布曲线 21

3.3不同电流对焊接温度场和应力场的影响 25

3.3.1 温度场 25

3.3.2 焊接热循环 27

3.3.3应力场 29

3.3.4 路径I的分析比较 30

3.3.5路径II的分析比较 34

第四章 结论 40

参考文献 41

致 谢 43

第一章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

TC4（Ti-6Al-4V）钛合金是20世纪50年代研究应用的一种中等强度的α-β两相型钛合金^[1]，它含有6%的α稳定元素Al和4%的β稳定元素V。在航天、海洋工程、化工、汽车制造等领域的应用也越来越广。随着钛合金材料的广泛应用，焊接问题日益突出,TC4 钛合金常用的焊接方法有钨极氩弧焊（TIG）、熔化极氩弧焊（MIG）、等离子弧焊（PAW）、线性摩擦焊等^[2、3]。由于这些焊接方法在焊接过程中具有相对较高的热输入，焊缝和热影响区组织易粗化，且焊接过程受保护气体纯度等的影响。采用常规的焊接方法难以获得质量优良的焊接接头，在一定程度上限制了 TC4 钛合金的应用。在焊接及切割领域，从 80 年代初期开始了一个飞速发展的阶段。MIG 焊开始逐步成熟并超过焊条焊接。从世界范围内看，在传统的焊接方法（埋弧焊 SAW、药皮焊条电弧焊 MMA和 MIG 焊）中，药皮焊条电弧焊的使用量急剧下降，而 MIG 焊则迅速增加。MIG 焊现在已经是世界范围内普遍采用的焊接工艺方法，以逐步被公认为是一种高效率和高质量的焊接工艺，不仅用于普通钢结构，也被用于压力容器和核设施等重要结构。

1.2 钛合金的性质

钛素有“太空”金属、“海洋”金属以及 21 世纪最具发展前景、继钢铁和铝之后的“第三金属”之称，其外观近似于钢，具有银灰色光泽。与工业纯钛相比，钛合金的相变温度和结晶组织都发生了相应的变化，其强度、塑性、抗氧化等性能显著提高^[4]。工业应用中主要为钛合金，按退火组织可以分为 α 钛合金、β 钛合金和 α β 钛合金，分别用 TA、TB 及 TC 表示^[5]。α 钛合金中的主要合金元素是铝，铝原子溶入钛中形成 α 固溶体，从而提高再结晶温度，也使钛合金的耐热性能及力学性能有所提高。β 钛合金加工性能良好，并具有优良的加工硬化性能，但高温性能差，脆性大，焊接性能较差，在焊接结构中的应用较少。

TC4钛合金是目前钛合金中用量最大，且性能数据最为齐全的钛合金。除了具有钛合金的一般特性外，TC4 钛合金可以通过淬火和时效使其得到强化，还具有组织稳定性好，比强度和热强度高，抗裂纹生长，韧性、塑性和高温变形性能优良，以及优异的耐腐蚀性能等。

1.3 TC4钛合金的应用

1.3.1航天工程

钛合金的研究开发起源于航空航天工业，并首先应用于航空航天飞行器。美国海军早在1954年就将 TC4 钛合金应用于制造涡轮机的压气机叶片和盘，并装配于战斗机，大大改善了发动机的压缩性能并减轻了重量。20 世纪 60 年代后，TC4 钛合金在航空发动机上的用量和范围逐渐增加，使发动机重量平均减轻 100~600 kg，它还广泛应用于制造飞机的各个部件，小至螺钉螺母紧固零件，大至飞机骨架、蒙皮、机身隔板和起落架等结构件。

1.3.2生物医学工程

目前钛及钛合金的应用已不仅仅局限于航空航天制造业中。由于钛及钛合金的比重与人体骨骼相仿，具有良好的生物相容性及优异的耐腐蚀性能，是一种较理想的医用材料，在生物医学工程中越来越多地使用钛及钛合金，主要是纯钛及 TC4 钛合金。TC4 钛合金是最早应用在生物医学领域的钛合金，主要应用于人体内植入件及外科手术相关器件等。

1.3.3一般工业领域

钛及钛合金在其它工业领域中的应用也正在迅速崛起。在海洋工程、石油化工等要求材料既具有高强度又具有优良抗腐蚀性的工业领域，钛及钛合金的应用同样带来了巨大的经济效益；在传感器、海水谈化设备、河海电站设备的制造中，钛及钛合金的用量也正在进一步扩大；在体育用品市场中，以钛制高尔夫球杆为代表的体育用品越来越多地使用钛及钛合金制造^[6,7]。

1.4 钛合金的焊接性分析

钛合金的熔点较高但导热系数及比热容小，焊接时经历加热、熔化、化学反应、结晶、冷却、固态相变等一系列复杂的过程，该过程在温度、化学成分及应力极不平衡的条件下发生的，将会产生热膨胀、冷却收缩及残余变形等体积变化，并且在焊接过程中还会产生气体污染、接头脆化、残余应力及裂纹等缺陷，引起材料内部成分和组织性能的变化 。为此，了解和掌握钛合金的焊接性特点，是正确制定焊接工艺、获得高质量焊接接头的前提。以下对钛合金的焊接性进行分析：

1.4.1焊接接头的脆化

接头脆化是钛合金焊接中的常见缺陷。常温下钛是一种非常活泼的金属，在焊接高温条件下，钛合金将变得十分不稳定，不但与空气中的氧、氮、氢、碳等具有很强的亲和力，还会与S、卤素等发生相互作用^[8,9]。钛从250℃时开始吸收氢，400℃时开始吸收氧，600℃时开始吸收氮。钛吸收氧、氮、氢的强烈程度与温度及时间的关系如图1-1所示：

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