0 序 言
钛合金由于具有轻质、高强、耐蚀等优点，在航天航空等领域中得到了广泛的应用[1]. 激光焊接是钛合金薄板最为常用的连接成形方法之一[2]. 在激光焊接过程中，为了减小变形常希望获得对称的X形焊缝[3]. 目前，获得X形焊缝常见的激光焊接方法主要有两种，一是常规高阈值激光焊，二是背反射增效激光焊[4]. 背反射增效激光焊与常规激光焊的主要区别在于：其在施焊过程中，在薄板背面增加距离一定的金属垫板，利用薄板全熔透瞬间进入背面的激光束作用在垫板上以类似激光反射的形式重新作用回背面焊接区. 该方法最显著的特点是其在低阈值单热源作用下获得了高阈值单热源或双热源的焊接效果，而且具有很好的焊接成形性，尤其是背面焊缝光滑、平整且呈少无氧化状态[5].而常规激光焊要想获得X形焊缝就需要更大的能量，即俗称的高能量阈值，这种高能量阈值会引起焊接接头组织恶化，导致焊接接头残余应力及梯度增大[6]. 鉴于背反射增效激光焊是一种新型高效激光焊接方法，故有必要开展其焊接残余应力分布及变化规律的研究.
以数值模拟的方法来分析焊接应力应变，可以定量地分析焊接行为的整个动态变化，能够近于准确地反映热弹塑性应力和应变的非线性变化等复杂变化过程，已成为研究焊接残余应力的一种重要手段[7-11]. 故采用数值模拟的方法来研究背反射增效激光焊接残余应力分布及变化规律. 文中，以1.5 mm厚的TC4钛合金薄板为对象，建立了背反射增效激光焊接成形过程的三维瞬态有限元模型，基于熔池温度场通过间接耦合方式获得了其X形焊接成形的应力场，并以相同条件下的常规激光焊接即施焊薄板背面无反射垫板为对比分析其残余应力，进而探究钛合金薄板背反射激光X形焊接残余应力的分布及变化规律.
公路的发展对我国的经济发展起到了极大的促进作用，针对公路在建设过程中出现的软土路基问题，目前通过强夯的技术得以解决。通过对强夯技术的原理以及施工过程中的七大步骤的详细介绍，希望能够对其他公路建设工作起到借鉴作用。
1 有限元模型
1.1 计算模型
由于焊接温度场是应力场模拟分析的基础，故首先对背反射增效激光焊接熔池温度场进行模拟，而应力场则是在温度场模拟数据的基础上，采用间接耦合方式获得. 模拟计算时所采用的激光工艺参数如表1所示.
利用所建立的正面与背面双高斯热源的三维激光焊接熔池温度场及传热过程模型对TC4钛合金薄板进行计算，试板尺寸为40 mm×26 mm×1.5 mm.根据激光焊接热影响区小、焊缝区温度梯度较大的特点，划分网格时焊缝区采用加密映射网格，远离焊缝区选择相对稀疏的映射网格，而两者之间采用自由网格过渡，三维有限元网格模型厚度方向为六层单元. 焊缝主区域选取三维热实体单元SOLID70，而远离焊缝区选用SOLID90热实体单元，焊缝主区域单元尺寸为0.2 mm×0.2 mm×0.2 mm，远离焊缝区单元尺寸为0.8 mm×0.8 mm×1 mm，共生成单元6 588个，节点5 490个.
表 1 激光工艺参数
Table 1 Laser process parameters
线能量E/(J·mm–1)编号 功率P/W扫描速度v/(mm·min–1)离焦量Δf/mm LW1 1 400 650 129.23 –1 LW2 1 400 750 112 –1 LW3 1 400 850 98.82 –1
1.2 热源模型
在背反射增效激光焊接的过程中，金属蒸气云首先到达工件表面. 金属蒸气云的最高温度能达到15 000 ℃以上，激光入射瞬间金属蒸气云辐射出热量被工件表面吸收；激光穿透工件到达反射垫板上，再次诱发形成金属蒸气云，以类似于反射的形式二次作用于工件的底部；此时，相当于热源作用在工件上下方同时存在. 在模型中，假设热源是由作用在工件上下表面的面热源组成. 根据前期试验观察的结果：激光入射热量的30%会作用在工件上表面，而70%的热量会作用在熔池内部，而熔池内70%热量经反射垫板反射后又有大约40%左右热量会再次作用于工件底部. 因此，假设作用在工件上下表面的热量值相同，且热流密度都服从高斯分布，即
总而言之，PHP程序设计课程作为一项融合诸多技术的专业课程，通过实践得知，通过把项目驱动的教学方法运用到PHP程序设计教学工作中，可以有效提升教学效果。但是从目前情况来说，在应用过程中依旧会出现一些问题，因此，这就需要根据项目驱动教学理念，通过科学设定教学内容的方式，将学生划分多个小组，在小组分配和交流的过程中，实现项目设计和实施，让整个教学活动更具趣味性，调动学生学习积极性，实现学习效果的提升。
式中：qm为单位面积上的最大热流密度；R为热源半径. 背反射激光焊温度场模拟采用的热源是由工件表面和底部的两组高斯体热源组成，其三维温度场控制方程以及相关源项和边界条件的数学表达式和材料属性参见文献[12].
1.3 边界条件
初始温度设为环境温度20 ℃，上下表面作为加热表面实现热源的加载，其它各面均为混合传热壁面(对流和传导传热). 在实际过程中，把工件的热量以对流辐射的方式散发出去. 焊接过程中温差的存在使得焊件表面与周围介质发生热交换，表现为对流换热和辐射换热，其中对流影响较小，能量损失主要通过辐射换热且温度越高辐射越强. 为了计算方便，仅考虑总的换热系数.
2 计算结果分析
2.1 背反射增效激光 X 形焊接的温度场
根据前期大量试验得知，在功率为1 400 W、扫描速度750 mm/min和离焦量为–1 mm时，常规激光焊接仅能得到V形焊缝而背反射增效激光焊则能获得对称性好的X形焊缝. 采用与数值模拟相同的激光工艺参数，对比所获得的钛合金薄板背反射增效激光焊接接头横截面形貌，对所建立有限元模型进行了验证，如图1所示. 可知模拟得到的左侧熔池边界与试验所得的右侧焊缝熔池边界基本一致，表明所建立模型具有较高的精度.
图 1 熔池模拟形貌与试验形貌的比较
Fig. 1 Comparison of molten pool between simulate morphology and experimental morphology
通过进行步长为0.002 s的仿真计算，模拟时间t=0.42 s，平均截取四个时间节点作为不同时刻熔池温度变化的情况. 为减少计算，模拟取焊缝一半进行计算取图，得到温度场时程图如图2所示.
图 2 背反射增效激光焊熔池温度场时程图
Fig. 2 Schedule chart of temperature field of back reflection induced synergistic laser welding
图2中分别为时间0.12，0.21，0.34和0.42 s时刻的温度场分布. 0.12 s时，由于还未熔透，此时温度场分布基本呈现V形，等温线集中在熔池边界倾斜侧. 分析原因认为，由于靠近热源中心处温度高，偏离热源处温度相对较低，形成热影响区的V形分布；而在V形熔池的边界处，温度变化较大直接造成等温线在此处密集. 0.21 s时为熔透的瞬间，此时背反射效应初现，温度场呈现X形，对称的温度场引起熔池上下部应力的抵消现象，导致等温线主要集中在熔池中间；0.34 s的温度场处于背反射效应逐渐增强的阶段. 而当0.42 s熔池温度场趋于稳态时，由于熔池上部激光能量持续输入和下部背反射激光能量的不断补充，造成临近熔池上下面的位置温度较高，中间的能量相应就较低，这就解释了0.42 s时等温线集中在熔池的上端和下端而不是中间的现象.图2中的四幅图是熔池逐渐从V形过渡到X形的温度场时程变化，较好地描述了背反射激光焊接过程中反射激光对工件底部进行二次加热的物理过程.
2.2 背反射增效激光X形焊接的残余应力
基于线能量E=112 J/mm(功率为1 400 W、扫描速度750 mm/min)时的熔池温度场分布，得出沿焊接方向焊缝中部即z方向13 mm处熔池横截面的应力场分布(Mises等效应力)，如图3所示. 可以看出，背反射激光焊接熔池应力场呈典型X形对称分布，与温度场的等温线的密集分布区域吻合，熔池y方向的应力场呈现上下对称分布，高应力区集中在上下端，中间应力相对较低；同时，x方向应力场也呈现对称分布.
图 3 背反射增效激光焊熔池应力场
Fig. 3 Stress field of molten pool of back reflection laser welding
为了更加直观地分析背反射增效激光焊熔池内部的应力大小及其变化趋势，对焊缝纵向、横向方向上的应力进行模拟，并绘制其残余应力分布曲线，并以常规激光焊为对象进行对比，如图4所示.从图4a可以看出，常规激光焊即无反射垫板状态下，焊缝纵向上表面残余应力峰值较大，达到820 MPa，上表面残余应力整体明显大于下表面，这也间接反映了热输入在竖直方向上的递减规律，上下残余应力均为正值即为拉应力，下表面的残余应力分布区域较上表面略窄；而从图4b可以看出，背反射增效激光焊即增加反射垫板状态下，焊缝纵向上表面与下表面的残余应力曲线重合度较高，上下表面残余应力分布基本相当，两者均为拉应力，集中在上下两端，距离焊缝中心越近应力值越大. 由于上下两面上的残余应力对称分布且数值相当，熔池在横截面竖直方向上中心区域应力抵消效应明显，应力水平最低，这与图3的熔池Y方向应力场模拟结果一致.
民办高校学生思想活跃、个性鲜明、具有较强实践能力，接受和学习新鲜事物能力比较强，但缺乏良好的学习习惯，自主学习能力较差，而且部分学生经济条件较好，依赖性强，抗挫折能力比较差[5]。
在新经济常态下，提升自身工程项目施工成本管理水平，降低工程施工成本，提高企业经济效益和社会效益是每个企业想发展壮大的必要途径，它将指引企业改革和发展的方向。处在这个大环境下的企业需正视自身发展现状，把园林工程施工成本管理纳入企业管理的重点，通过加强施工成本的管理与控制，这样才能够实现园林工程施工企业经济效益的最大化。
图 4 两种激光焊接纵向残余应力分布
Fig. 4 Longitudinal residual stress distribution in conventional laser welding and back reflection laser welding
图5是焊缝横向残余应力分布曲线. 可以看出，常规激光焊和背反射激光焊两条横向残余应力分布曲线整体重合度较高，横向残余应力先由压应力变为拉应力再变为压应力，且压应力峰值远大于拉应力. 这是由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩引起的，横向收缩会使焊缝两端受压而中心区受拉，此结果与图3熔池X方向上模拟结果比较吻合.
图 5 两种激光焊接横向残余应力分布
Fig. 5 Transverse residual stress distribution in two kinds of laser welding
2.3 线能量对背反射激光焊接残余应力的影响
由图5可知，相对于常规激光焊而言，背反射增效激光焊的横向残余应力变化不大，故线能量对其影响不具有二次研究意义. 何小东、张建勋等人[12]对此已做了较深入的研究，故只研究线能量对背反射增效激光焊接纵向残余应力的影响，如图6所示. 整体来看，不同线能量下背反射增效激光焊接的纵向残余应力无论是其大小还是分布均变化较小，表明背反射增效激光焊接的线能量对其焊接残余应力影响的敏感度较低. 进一步分析可知，在激光功率不变情况下，随着扫描速度降低(线能量E增大)，纵向残余应力的峰值降低，且应力分布区域增宽，这是由于速度降低，热输入能量增加，工件单位面积上吸收的能量增大，热影响区不断扩大，导致应力变形区增大，同时速度的降低使工件的温度递增梯度减小，使得应力峰值降低.
图 6 线能量对背反射激光焊接残余应力影响
Fig. 6 Effect of heat input on residual stress in back reflection laser welding
3 结 论
(1) 以1.5 mm厚的TC4钛合金薄板为对象，建立了背反射增效激光焊接成形过程的三维瞬态有限元模型，通过与数值模拟相同激光工艺参数下焊接试验所获得的焊接接头横截面形貌对模型进行了验证，基于熔池温度场通过间接耦合方式获得了其X形焊接成形的应力场.
(2) 背反射增效激光焊接焊缝上表面纵向残余应力与常规激光焊接基本一致，但其焊缝下表面纵向残余应力较常规激光焊接要大，且达到了上表面纵向残余应力相同的水平.
天脊集团是中国硝酸磷型复合肥的缔造者。正因为如此，“天脊化肥就要打造中国硝基肥第一品牌”这是天脊集团确定的天脊产品定位、实施的品牌战略目标。
(3) 不同线能量下，背反射增效激光焊纵向残余应力的变化很小，表明线能量对其焊接残余应力影响的敏感度较低.
参考文献：
[1]刘全明, 张朝晖, 刘世锋, 等. 钛合金在航空航天及武器装备领域的应用与发展[J]. 钢铁研究学报, , 27(3): 1 - 4.Liu Quanming, Zhang Zhaohui, Liu Shifeng, et al. Application and development of titanium alloy in aerospace and military hardware[J]. Journal of Iron and Steel Research, , 27(3): 1 - 4.
[2]Akman E, Demir A, Canel T, et al. Laser welding of Ti6Al4V titanium alloys[J]. Journal of Materials Processing Technology,, 209(8): 3705 - 3713.
[3]Stritt P, Weber R, Graf T, et al. Utilizing laser power modulation to investigate the transition from heat-conduction to deep-penetration welding[J]. Physics Procedia, , 12(5): 224 - 231.
[4]王宏宇. 实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法: 中国, 10225961.2[P]. -05-26.
[5]程 满, 王宏宇, 周建忠, 等. 钛合金薄板激光反射叠加深熔焊成形工艺优化[J]. 焊接学报, , 37(6): 9 - 12.Cheng Man, Wang Hongyu, Zhou Jianzhong, et al. Process optimization of laser reflection-induced superimposition deep-penetration welding for titanium alloy sheet[J]. Transactions of the China Welding Institution, , 37(6): 9 - 12.
[6]董丽娜, 张建勋. Ti6Al4V激光焊接接头非均匀梯度特征研究现状[J]. 稀有金属材料与工程, , 42(3): 655 - 660.Dong Lina, Zhang Jianxun. Research status of heterogeneous gradient feature for laser welded joint of Ti6Al4V alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, , 42(3): 655 - 660.
[7]Niu X J, Li L Y, Jiang X D, et al. Numerical simulation of applied electromagnetic field and electromagnetic force in all-position welding[J]. China Welding, , 22(3): 42 - 45.
[8]Pu X W, Zhang C H, Li S, et al. Simulating welding residual stress and deformation in a multi-pass butt-welded joint considering balance between computing time and prediction accuracy[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, , 93(5-8): 2215 - 2226.
[9]Genchev G, Doynov, N, Ossenbrink, R, et al. Residual stress formation in multi-pass weldment: A numerical and experimental study[J]. Journal of Construction Steel Research, , 138: 633 -641.
[10]Rong Y M, Chang Y, Xu J J, et al. Numerical analysis of welding deformation and residual stress in marine propeller nozzle with hybrid laser-arc girth welds[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, , 158: 51 - 58.
[11]Cao J, Gharghouri M A, Nash P. Finite-element analysis and experimental validation of thermal residual stress and distortion in electron beam additive manufactured Ti-6Al-4V build plates[J].Journal of Materials Processing Technology, , 237: 409 -419.
[12]何小东, 张建勋, 裴 怡, 等. 线能量对TC4钛合金激光焊接残余应力和变形的影响[J]. 稀有金属材料与工程, , 36(5): 774 -777.He Xiaodong, Zhang Jianxun, Pei Yi, et al. Effects of heat input on laser welding residual stress and distortion of TC4 titanium alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, , 36(5): 774 -777.
