12mm钛合金板电子束焊接应力与温度场的数值模拟研究

"12mm厚钛合金平板电子束焊接的数值模拟 (2007年)" 这篇论文详细探讨了在12毫米厚的TC4钛合金平板上进行电子束焊接的过程，并利用ANSYS有限元分析软件进行了温度场和应力场的三维数值模拟。TC4钛合金是一种广泛应用的高强度、耐腐蚀的金属材料，在航空、航天和医疗器械等领域有重要应用。电子束焊接是一种高能束焊接技术，利用聚焦的电子束轰击工件，将能量转化为热能，实现材料的熔融和连接。 在建立数值模型时，研究者考虑了几个关键因素。首先，他们采用了圆锥体热源模型来模拟电子束焊接过程中的小孔效应。小孔效应是电子束焊接中的一个显著特征，由于高能量密度导致材料蒸发形成一个临时的小孔，这会影响熔池的形状和焊接过程中的能量传递。其次，材料的热学和力学性能参数被设定为随温度变化，这是因为焊接过程中材料的性质会受到高温的影响。此外，熔池内的液体对流散热通过比热和热导率的变化来模拟，这有助于更准确地预测熔池的冷却和凝固行为。 计算结果显示，钛合金电子束焊接后，熔池呈现典型的卵形分布。在焊缝中心线两侧距离4毫米的区域，存在高值的纵向残余拉应力。这些应力集中在这个区域，可能导致结构的稳定性问题。平板内部出现了接近材料屈服极限的局部三维残余拉应力状态，这意味着焊接可能引起材料的塑性变形，对结构的疲劳寿命和整体性能构成潜在威胁。 为了验证数值模拟的准确性，研究人员进行了实际的焊接实验，包括观察焊缝的宏观形貌，并通过小孔释放法测量焊接产生的残余应力。实验结果与数值模拟的结果吻合良好，证实了模型的有效性和可靠性。这种模拟方法对于理解和优化电子束焊接过程，预防焊接缺陷以及设计更稳健的焊接工艺具有重要意义。 总结起来，这篇论文深入研究了12mm厚TC4钛合金平板电子束焊接的热力行为，通过数值模拟揭示了焊接过程中温度场和应力场的分布规律，为实际工程中的焊接工艺改进提供了理论支持。同时，它强调了有限元分析在解决复杂焊接问题中的作用，为后续的焊接研究和工程实践提供了有价值的参考。