太原科技大学 | Rare Met. Mater. Eng. | 钛合金K-TIG深熔焊热源开发与数值仿真

图1：本图为用于热-力耦合测试的定制化试样几何设计图。图纸精确标注了试样尺寸（300mm×350mm）以及关键监测点的位置，包括应力施加点与热电偶布置点。这种非标设计旨在模拟特定服役条件，确保在实验过程中能够同时、原位地获取试样的温度场与应力场数据，为后续校准仿真模型提供关键的边界条件与验证数据。

图2：本组图片展示了实际加工完成后的试样状态。全景图（A）显示了带有红色定位框的完整试样，用于指示后续微观分析或应变测量的特定区域。近景图提供了精确的尺度参考（20mm），清晰呈现了试样表面处理后的宏观形貌。背面图则展示了特殊的装夹结构或背面特征，共同证实了试样制备符合设计要求，并为其在实验装置上的安装与测试提供了直观依据。

图3：本图为典型的金相或EBSD扫描图，展示了试样经过特定处理（如焊接、热处理或变形）后关键区域的微观结构。图中白色虚线勾勒出的边界表示熔合线、相界或裂纹路径，两侧标注的尺度（各5mm，总宽约12mm）定量说明了影响区域的宽度。该图像是连接宏观工艺与宏观性能的关键微观证据，用于分析组织演变机理。

图5： 本图集中展示了进行K-TIG焊接数值仿真所必需的TC4钛合金基础物性参数。(a) 热物理性能：比热容随温度升高显著增大，直接影响熔池吸收与储存热量的能力；热导率缓慢增加，主导了焊接过程中的热量传递速率；密度基本保持不变。(b) 力学性能：杨氏模量与屈服强度随温度升高急剧下降，是计算焊接热应力与残余应力的核心变量；热膨胀系数决定了由不均匀温度场引起的变形量；泊松比则保持相对稳定。这些精确的温度相关参数是构建高保真焊接仿真模型、确保温度场与应力场计算准确性的物理基础。

图6： 本图清晰展示了为表征K-TIG“匙孔”深熔焊熔池特征所建立的组合热源模型的几何构型。(a) 三维空间形态：图中鲜红色的高耸区域代表用于模拟深层、集中热输入的高斯柱体热源，其被浅青色、叶片状的“上部双椭球”热源所包围，两者共同构成一个“宽顶深腔”的组合体，旨在从几何上精确复现K-TIG焊接形成的宽大熔池与深层匙孔的独特形貌。图中标注的底面尺寸a、b、c与高度h定义了该模型的作用空间范围。(b) 二维横截面示意图：以圆柱体简化展示了模型的关键特征尺寸，其直径D与三维模型的底面尺寸b相对应，高度h保持一致。该图直观揭示了模型“上宽下窄、能量集中向下穿透”的核心物理思想，并为后续有限元仿真中热流密度分布函数的空间定义提供了精确的几何参数依据。

图10：本图为采用有限元分析软件得到的模拟结果可视化云图。彩虹色标代表了应力、应变或温度等场变量的分布与大小。图中弯曲的蓝色区域与中间的黄色高亮线条，直观揭示了在复杂热-力载荷下，试样内部场变量的集中区域与梯度变化。该模拟结果通过与实验数据对比，用于验证所建立的物理模型和所用材料参数的准确性。