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齿科钛金属的激光焊接性及接头应力有限元模拟

作　者: 徐凤林
导　师: 王少刚
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 材料学
关键词: 齿科钛金属激光焊组织与性能有限元残余应力
分类号: TG456.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 115次
引　用: 3次
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内容摘要

钛金属具有优异的综合力学性能,并且具有优良的生物相容性和耐腐蚀性,是目前较理想的口腔修复材料。激光焊接由于具有能量集中、焊缝成形好、加热速度快、接头热影响区小等优势,正在成为钛金属焊接的重要手段。但是激光焊接由于局部高温加热,高功率密度的热输入集中作用在焊缝附近,易造成焊接区温度的急剧变化并在焊件内部形成较大的温度梯度,从而导致焊后在接头中产生残余应力。因此对齿科钛金属的激光焊接性及其接头残余应力进行研究,在口腔医学的临床应用中具有重要的实际意义。对齿科钛金属的激光焊接性研究表明:激光功率密度可以作为评价接头性能的一个综合参数,激光光斑直径对接头性能的影响远甚于激光功率。研究中发现,随着激光功率密度的增加,获得接头的强度呈先增大而后下降的趋势。经测试分析可知,激光功率为1.6 kW,光斑直径为0.7mm时,获得接头的强度较佳;对接头断口进行SEM观察显示,接头断裂区存在明显的韧窝,未见有夹杂、微裂纹等缺陷,大部呈韧性断裂特征。进一步的接头TEM分析表明,组织中针状马氏体的亚结构由胞状亚结构和微孪晶组成。研究表明齿科钛金属进行激光焊接是可行的,只要采取合理的焊接参数和焊接工艺,齿科钛金属激就可以获得较好的接头质量。研究三维齿科有限元模型,对焊缝中心截面的残余应力场进行模拟,结果表明:在X方向和Y方向上,残余应力在材料表面都呈现拉应力状态,而在材料内部呈现压应力状态。横截面上的残余应力在X方向上和Y方向上都比较小,不会影响齿科钛金属接头在临床上的应用。对轴向残余应力研究表明:在焊缝及熔合线附近的残余应力最高,并且呈拉应力状态,而热影响区为压应力。轴向残余应力具有集中分布而且窄的特点。从焊件接头的轴向分析可知,焊缝及熔合线附近的残余应力为拉应力,远高于焊缝中心截面表面处的拉应力,较高的拉应力会导致裂纹产生,影响结构的强度、刚度、精度及尺寸稳定性。分析研究结果可为齿科钛金属在临床中应用提供技术支持,为实际接头的残余应力预测提供理论指导。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-27
  1.1 引言  11-12
  1.2 钛的基本特性及其焊接性能  12-14
    1.2.1 钛的基本性质  12
    1.2.2 钛及其合金的焊接性分析  12-14
  1.3 齿科钛金属的激光焊接研究进展  14-18
    1.3.1 TA2（工业纯钛）的焊接工艺特点  14-16
    1.3.2 齿科钛金属激光焊接研究现状  16-18
  1.4 焊接残余应力有限元模拟的研究进展  18-23
    1.4.1 激光焊接中存在的应力变形问题  18-19
    1.4.2 焊接残余应力有限元模拟的研究现状  19-23
  1.5 ANSYS 软件简介  23-24
  1.6 焊接过程的ANSYS 数值模拟  24-26
  1.7 本文主要研究内容  26-27
第二章实验材料及方法  27-36
  2.1 实验材料及焊接实验  27-34
    2.1.1 钛试件的制备  27-32
    2.1.2 激光焊接实验  32-34
  2.2 接头性能及微观组织结构分析  34-36
    2.2.1 接头力学性能实验  34
    2.2.2 接头金相组织及TEM 微观结构分析  34-35
    2.2.3 拉伸断口SEM 观察  35-36
第三章齿科钛金属激光焊接性研究  36-51
  3.1 激光焊接参数对接头力学性能的影响  36-40
    3.1.1 拉伸实验及结果分析  36-39
    3.1.2 显微硬度实验及结果分析  39-40
  3.2 激光功率密度P_F对接头力学性能的影响  40-43
    3.2.1 激光功率密度对接头强度的影响  41-42
    3.2.2 激光功率密度对接头显微硬度的影响  42-43
  3.3 激光焊接头微观组织结构分析  43-49
    3.3.1 接头组织生长机理  43-44
    3.3.2 接头金相组织观察  44-46
    3.3.3 接头TEM 微观结构分析  46-48
    3.3.4 拉伸断口扫描观察  48-49
  3.4 本章小结  49-51
第四章齿科钛金属激光焊接数值模拟  51-75
  4.1 有限元模拟理论基础  51-54
    4.1.1 传热方式简介  51-52
    4.1.2 温度场有限单元法基础  52-53
    4.1.3 热应力场有限单元法基础  53-54
  4.2 有限元模拟的前处理过程  54-60
    4.2.1 定义单元类型  55-56
    4.2.2 定义材料属性  56-58
    4.2.3 实体模型建立及网格划分  58-60
  4.3 热源模型及加载  60-64
    4.3.1 热源模型的建立  60-62
    4.3.2 高斯热源模型的建立  62-64
  4.4 APDL 程序算法的实现  64-65
  4.5 激光焊接模拟结果与分析  65-73
    4.5.1 激光焊接温度场模拟结果分析与讨论  65-68
    4.5.2 激光焊接残余应力场的模拟与分析  68-73
  4.6 本章小结  73-75
第五章结论与展望  75-78
  5.1 结论  75-77
  5.2 展望  77-78
参考文献  78-83
致谢  83-84
攻读硕士期间发表论文  84

齿科钛金属的激光焊接性及接头应力有限元模拟

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