CN113268898A - 一种tc4钛合金h型结构双激光束双侧同步焊接的变形模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钛合金制造技术与激光焊接领域，尤其涉及一种具有H型结构的TC4钛合金双激光束双侧同步焊接的变形模拟方法。本发明结合激光焊接过程的特点，建立了TC4钛合金H型结构双激光束双侧同步焊接过程中温度场计算的三维有限元模型，确定了热物理性能参数随温度的变化情况，进行了初始条件和边界条件的加载，通过对软件的二次开发，解决了激光焊接过程的焊接热源的加载、生死单元技术的技术难题。另外，本发明还建立了TC4钛合金H型结构双激光束双侧同步焊接过程中的应力场与应变场三维模型，利用非线性有限元计算软件求解不同边界条件下结构件变形情况，为得到控制焊接变形的优化方法提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金制造技术与激光焊接领域，尤其涉及一种TC4钛合金 H型结构双激光束双侧同步焊接的变形模拟方法。
背景技术
随着对飞机性能要求的提高，焊接作为一种连接方法，在诸多连接类型中其效率最高，可提高材料利用率，减轻结构重量，降低成本。同时钛合金在减轻飞机质量、承受高温高载以及耐腐蚀等方面起到了突出作用，因此钛合金焊接结构越来越多地被使用。目前，钛合金焊接结构件主要应用于发动机机体框架、机身壁板等部位。
与常规焊接方法相比，激光焊接具有能量密度高，加热集中，对材料热损伤小等优良特性，得到的焊缝深宽比大，焊接接头残余应力低的高性能结构件。但是针对激光焊接具有H型结构的TC4钛合金零件与蒙皮，采取背侧焊双面成型技术将在蒙皮外表面形成焊缝从而破坏了蒙皮外表面的完整性；采取单侧依次双面焊技术，不仅会造成第一道角焊缝对第二道角焊缝有所影响，特别是氧化情况，而且由于热温度场不对称进而导致焊接接头变形严重。
双激光束双侧同步焊接工艺具有焊接变形小、制造速度快等优势。与传统背侧焊双面成型技术与单侧依次双面焊技术相比，双激光束双侧同步焊接工艺TC4钛合金H型结构不仅可以减轻飞机壁板质量，还可避免在焊接过程中对蒙皮完整性的破坏。利用有限元分析软件对TC4钛合金H型结构双激光束双侧同步焊接过程进行模拟分析可以有效地对焊接过程中的温度场进行预测，进而优化焊接工艺参数，这对控制结构件焊后变形情况、焊缝成形情况以及避免焊接缺陷的产生具有重要意义，并且采用模拟的手段可以优化工艺窗口，减少试验次数，缩小实验参数范围，在提高效率的同时降低了成本。
发明内容
本发明提供了一种TC4钛合金H型结构双激光束双侧同步焊接的变形模拟方法，具体步骤如下：
第一步：建立H型TC4钛合金的温度场与应力应变场三维模型，具体地，在计算机辅助设计软件例如CATIA软件中建立三维几何模型，对H型TC4钛合金不同区域进行网格划分，网格划分采用“过渡网格划分”方法，即焊缝及靠近焊缝区域采用密集划分，并使网格尺寸随着距焊缝逐渐变远而不断加大。另外，划分网格单元时应注意各方向上单元尺寸的协调，网格类型采用了差值计算误差较小的六面体单元；
第二步：针对第一步建立的温度场及应力应变场三维模型采用固体导热微分方程和热-弹性控制方程进行约束；具体地，建立具有内热源和瞬态温度场的固体导热微分方程：
式中，T为瞬态温度；t为焊接时间；k为所述的TC4钛合金热导系数；ρ为所述的TC4钛合金密度；cp为所述的TC4钛合金的定压比热；qv为所述的TC4 钛合金的内热源强度；x，y，z分别为坐标系中三向坐标。根据所述的应力应变场三维几何模型建立热-弹性控制方程：
式中
为弹塑性矩阵，[DE]为弹性矩阵，
为塑性矩阵，σ为应力矢量，ε为应变矢量，dσ为应力增量，dε为应变增量。
第三步：基于非线性有限元分析软件求解固体导热微分方程和热-弹性控制方程，进行模拟计算得到焊接过程中温度场及应力应变场变化情况；具体地，将建立的H型TC4钛合金的温度场与应力应变场三维模型导入非线性有限元软件，设定针对性边界条件，包括表面换热条件的施加和热源的加载。
在第三步中，针对双激光束双侧同步焊接H型TC4钛合金热源的加载，需写入模型的工艺参数，例如激光功率、热源参数、焊接速度等；针对左侧热源进行坐标变换，使坐标变换后的X轴正方向为左侧激光束的入射方向；分别计算左侧激光束的面热源和体热源热流密度；针对右侧热源进行坐标变换，使坐标变换后的X轴正方向为右侧激光束的入射方向；分别计算右侧激光束的面热源和体热源热流密度。
在第三步中，由于刚开始焊缝时不存在的，随着焊枪的不断前进，填丝材料不断熔化形成连续的焊缝。要准确描述焊缝的生成过程，需要采用生死单元技术。同时采用生死单元分析时应考虑结构件的变形情况，求解过程中采用以牛顿-拉夫逊算法进行平衡迭代，并采用自适应下降和自动时间步长功能以加快计算速度，得到焊接过程中温度场及应力应变场的具体情况。
本发明的技术方案的有益效果如下：
本发明提供了一种TC4钛合金H型结构双激光束双侧同步焊接的变形模拟方法，建立了TC4钛合金H型结构双激光束双侧同步焊接过程中温度场计算的三维有限元模型，确定了热物理性能参数随温度的变化情况，进行了初始条件和边界条件的加载，通过对软件的二次开发，解决了激光焊接过程的焊接热源的加载、生死单元技术的技术难题。另外，本发明还建立了 TC4钛合金H型结构双激光束双侧同步焊接过程中的应力场与应变场三维模型，利用非线性有限元计算软件求解不同条件下结构件变形情况，得到控制焊接变形的优化方法。
利用有限元分析软件对TC4钛合金H型结构双激光束双侧同步焊接过程进行模拟分析可以有效地对焊接过程中的温度场进行预测，进而优化焊接工艺参数，这对控制焊缝成形情况以及避免焊接缺陷的产生具有重要意义，并且采用模拟的手段可以优化工艺窗口，减少试验次数，缩小实验参数范围，在提高效率的同时降低了成本。
附图说明
图1为本发明实施例中TC4钛合金H型结构双激光束双侧同步焊接的变形模拟方法的流程图；
图2为本发明实施例中建立TC4钛合金H型结构主视图与侧视图；
图3为本发明实施例中对TC4钛合金H型结构三维模型进行的过渡网格划分整体示意图；
图4为本发明实施例中TC4钛合金H型结构双激光束双侧同步焊接过程示意图；
图5为本发明实施例中TC4钛合金H型结构双激光束双侧同步焊接温度场分布示意图；
图6为本发明实施例中TC4钛合金H型结构双激光束双侧同步焊接应力场分布示意图；
图7为本发明实施例中TC4钛合金H型结构双激光束双侧同步焊接应变场分布示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种TC4钛合金H型结构双激光束双侧同步焊接的变形模拟方法，下面结合附图对本发明详细说明。
参见图1，一种TC4钛合金H型结构双激光束双侧同步焊接的变形模拟方法，包括如下步骤：
第一步S1：建立H型TC4钛合金的温度场与应力应变场三维模型：
具体地，在计算机辅助设计软件例如CATIA软件中建立三维几何模型，将三维几何模型导入非线性有限元软件构建的温度场及应力应变场三维模型。针对构建的温度场及应力应变场三维模型建立固体导热微分和热-弹塑性控制方程：
具体地，建立具有内热源和瞬态温度场的固体导热微分方程：
式中，T为瞬态温度；t为焊接时间；k为所述的TC4钛合金热导系数；ρ为所述的TC4钛合金密度；cp为所述的TC4钛合金的定压比热；qv为所述的 TC4钛合金的内热源强度；x，y，z分别为坐标系中三向坐标。
建立热-弹塑性控制方程：
式中
为弹塑性矩阵，[DE]为弹性矩阵，
为塑性矩阵，σ为应力矢量，ε为应变矢量，dσ为应力增量，dε为应变增量。
第二步S2：对H型TC4钛合金三维模型不同区域进行网格划分，网格划分采用“过渡网格划分”方法，即焊缝及靠近焊缝区域采用密集划分，并使网格尺寸随着距焊缝逐渐变远而不断加大。另外，划分网格单元时应注意各方向上单元尺寸的协调，网格类型采用了差值计算误差较小的六面体单元。
第三步S3：基于非线性有限元分析软件求解固体导热微分方程和热-弹性控制方程，进行模拟计算得到焊接过程中温度场及应力应变场变化情况；具体地，将建立的H型TC4钛合金的温度场与应力应变场三维模型导入非线性有限元软件，设定初始条件和边界条件，边界条件具体包括表面换热条件的施加和热源的加载。
具体地，在第三步中，针对双激光束双侧同步焊接H型TC4钛合金热源的加载，需写入模型的工艺参数，例如激光功率、热源参数、焊接速度等；针对左侧热源进行坐标变换，使坐标变换后的X轴正方向为左侧激光束的入射方向；针对右侧热源进行坐标变换，使坐标变换后的X轴正方向为右侧激光束的入射方向。另外，由于刚开始焊缝时不存在的，随着焊枪的不断前进，填丝材料不断熔化形成连续的焊缝。要准确描述焊缝的生成过程，需要采用生死单元技术。同时采用生死单元分析时应考虑结构件的变形情况，求解过程中采用以牛顿-拉夫逊算法进行平衡迭代，并采用自适应下降和自动时间步长功能以加快计算速度。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，以TC4钛合金H型结构双激光束双侧同步焊接的变形计算为例进行分析，例图参见图2-图7。
实施例1
1、TC4钛合金H型结构模型的建立
基于CATIA软件建立TC4钛合金H型结构三维几何模型，模型的主视图参见图2(a)，侧视图参见图2(b)，图2(a)中1为TC4钛合金H型结构件， 2为TC4钛合金基板。将三维几何模型导入非线性有限元软件构建的温度场及应力应变场三维模型。针对构建的温度场及应力应变场三维模型建立固体导热微分和热-弹塑性控制方程：
具体地，建立具有内热源和瞬态温度场的固体导热微分方程：
式中，T为瞬态温度；t为焊接时间；k为所述的TC4钛合金热导系数；ρ为所述的TC4钛合金密度；cp为所述的TC4钛合金的定压比热；qv为所述的 TC4钛合金的内热源强度；x，y，z分别为坐标系中三向坐标。
建立热-弹塑性控制方程：
式中
为弹塑性矩阵，[DE]为弹性矩阵，
为塑性矩阵，σ为应力矢量，ε为应变矢量，dσ为应力增量，dε为应变增量。
2、TC4钛合金H型结构模型网格划分
根据实际情况，采用双激光束双侧同步焊接方法。针对H型TC4钛合金不同区域进行网格划分，网格划分采用“过渡网格划分”方法，即焊缝及靠近焊缝区域采用密集划分，并使网格尺寸随着距焊缝逐渐变远而不断加大。另外，划分网格单元时应注意各方向上单元尺寸的协调，网格类型采用了差值计算误差较小的六面体单元。共有41020个单元，33280个节点，如图3所示。
3、确定材料热物理性能参数
利用同步热分析仪STA449F1得到了TC4钛合金热物理性能参数在低温下随温度变化趋势，之后将测得的数据输入有限元软件，外推出高温下的 TC4钛合金热物理性能参数。
4、设定初始条件
初始环境温度定义为20℃，工件初始温度也设定为20℃，焊接所用热源有效功率为950W，焊接速度为1.4m/min，激光入射角(光束与底板法线夹角)60°。
5、设定边界条件
(1)表面的热边界条件为热对流和热辐射，将热对流和热辐射系数转化为总的换热系数；
(2)针对双激光束双侧同步焊接H型TC4钛合金热源的加载，首先改进激光热源模型。其采用具有高斯分布的面热源与高斯旋转体热源复合的形式，其中，面热源热流分布公式为：
式中，α为面热源热集中系数；Qs为面热源热流功率；rs为面热源有效作用半径。
体热源热流分布公式为：
式中，β为体热源热集中系数；Qv为体热源热流功率；rv为体热源有效作用半径，H为体热源有效作用深度；γ为衰减系数。
其次，通过对有限元计算软件的二次开发，编写激光热源子程序实现焊接边界条件的施加。实现过程如下：先对单个热源进行两次坐标平移，生成两个不同位置的激光束，之后分别对两个激光束进行坐标旋转变换，从而获得两束对称、同步的激光热源。坐标旋转变换公式为：
x′＝x cos α+y sin α
y′＝y cos α-x sin α
式中，x、y、x′、y′分别为变换前后的坐标；α为坐标的旋转角度。
最终，采用生死单元分析时应考虑结构件的变形情况，求解过程中采用以牛顿-拉夫逊算法进行平衡迭代，并采用自适应下降和自动时间步长功能以加快计算速度，得到焊接过程中温度场及应力应变场的具体情况。
6、根据实际情况，对TC4钛合金H型结构进行双激光束双侧同步焊接，具体焊接过程如图4所示。
7、基于非线性有限元分析软件，对双激光束双侧同步焊接TC4钛合金 H型结构的温度场与应力应变场三维模型进行求解。
8、根据控制方程的耦合求解结果得到焊接过程中的温度场(如图5所示)、应力场(如图6所示)、应变场(如图7所示)分布基于非线性有限元分析软件，对双激光束双侧同步焊接TC4钛合金H型结构的温度场与应力应变场三维模型进行求解。结果可以有效地对焊接过程中的温度场及应力应变场进行预测，进而优化焊接工艺参数，这对控制结构件焊后变形情况、焊缝成形情况以及避免焊接缺陷的产生具有重要意义，并且采用模拟的手段可以优化工艺窗口，减少试验次数，缩小实验参数范围，在提高效率的同时降低了成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
本发明不以任何方式限制于在说明书和附图中呈现的实例性实施方式。示出以及描述的实施方式的部分明确地理解为并入该说明书之内并且明确地理解为落入本发明的范围内。而且，在如权利要求书概括的本发明的范围内，很多变形是可能的。此外不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。
Claims (8)
1.一种具有H型结构的TC4钛合金双激光束双侧同步焊接的变形模拟方法，其特征在于，具体实施步骤如下：
(1)在计算机辅助设计软件中根据TC4钛合金H型结构建立温度场与应力应变场三维几何模型，并对所建立的温度场与应力应变场进行过渡网格划分；
(2)利用同步热分析仪STA449F1得到了TC4钛合金热物理性能参数在低温下随温度变化趋势，之后将测得的数据输入有限元软件，外推出高温下的TC4钛合金热物理性能参数；
(3)设定初始条件及边界条件，所述的边界条件包括表面换热条件的施加和热源的加载；
(4)基于非线性有限元软件求解固体导热微分方程和所述热-弹性控制方程，结合边界条件，最终计算得到焊接过程中温度场及应力应变场的变化情况。
2.根据权利要求1步骤1所述的变形模拟方法，其特征在于，所述过渡网格划分是指焊缝及靠近焊缝区域采用密集划分，并使网格尺寸随着距焊缝逐渐变远而不断加大。另外，划分网格单元时应注意各方向上单元尺寸的协调，网格类型采用了差值计算误差较小的六面体单元。
3.根据权利要求1步骤3所述的边界条件的设定，其特征在于，包括表面换热条件的施加和热源的加载。表面换热条件是指焊件表面和周围介质进行热交换的情况，在焊接过程中，表面换热主要包括焊件与环境的对流和辐射，为计算方便考虑，将辐射和对流系数转化为总的对流换热系数在软件中进行模拟计算；热源的加载采用内热源的形式来施加激光的作用，由于采用的有限元软件中并没有关于激光焊接热源的输入模块，所以热源的加载将采用软件的子程序接口进行编译完成。
4.根据权利要求1步骤4所述的变形模拟方法，其特征在于，根据所述的温度场三维几何模型建立固体导热微分方程：
式中，T为瞬态温度；t为焊接时间；k为所述的TC4钛合金热导系数；ρ为所述的TC4钛合金密度；cp为所述的TC4钛合金的定压比热；qv为所述的TC4钛合金的内热源强度；x，y，z分别为坐标系中三向坐标。根据所述的应力应变场三维几何模型建立热-弹性控制方程：
式中
为弹塑性矩阵，[DE]为弹性矩阵，
为塑性矩阵，σ为应力矢量，ε为应变矢量，dσ为应力增量，dε为应变增量。
5.根据权利要求4所述的变形模拟方法，其特征在于，在求解所述固体导热微分方程及所述热-弹性控制方程的过程中，采用生死单元技术，深度分析焊后温度场特别是应力应变场的变化情况。
6.根据权利要求5所述的变形模拟方法，其特征在于，开始计算前，将焊缝所有单元“杀死”，相当于焊前的装配状态，此时被杀死的单元并非被删除，而是将其热传导矩阵乘以了一个很小的因子，同时死单元的各项性能参数都设为很小的数值甚至是0；焊接过程中，按顺序激活被“杀死”的单元，重新激活死单元，使其各项参数恢复到原始状态。
7.根据权利要求4所述的变形模拟方法，其特征在于，在求解所述固体导热微分方程及所述热-弹性控制方程的过程中以牛顿-拉夫逊算法进行平衡迭代。
8.根据权利要求4所述的变形模拟方法，其特征在于，在求解所述固体导热微分方程及所述热-弹性控制方程的过程中采用自适应下降和自动时间步长功能以加快计算速度。
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- 2021-03-25 CN CN202110323337.6A patent/CN113268898A/zh active Pending
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