齿科钛金属的激光焊接性及接头应力有限元模拟

论文摘要

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。

论文目录

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