钛合金低应力无变形焊接过程机理研究

【摘要】：钛合金薄壁焊接结构在新型飞行器制造中得到了日益广泛的应用，这是提高产品战术和技术性能、减轻自身重量和增加承载能力的主要途径。但是钛合金焊接应力和变形问题十分突出，使其应用范围受到了一定限制。因此针对钛合金焊接中热弹塑性应力应变的变化规律和特点开展系统深入的试验研究和数值分析，对于认知钛合金不同于钢材和铝合金的焊接应力和变形的特殊规律与控制机理、优化控制工艺参数和提高焊接质量都具有非常重要的现实工程意义和学术理论价值。这也是用信息化提升制造技术，使焊接工艺通过建模仿真向数字化方向发展的努力。 针对解决航空产品钛合金焊接结构应力与变形问题的迫切需求，设计了系统试验研究方案和技术路线，对常规焊接和低应力无变形焊接两种情况进行了对比测试，包括温度场、焊接残余应力场和焊接残余应变场的数据采集。在试验研究的基础上，建立了适于钛合金薄板钨极氩弧焊(GTAW)对接焊过程的三维有限元分析模型；采用ANSYS有限元分析软件，计算获得了TC4钛合金焊接过程中温度场和热弹塑性应力应变场的发展历史和分布特征，并与试验结果进行了对比。研究表明：对于钛合金薄板试件，熔池前沿和两侧金属在焊接加热过程中产生不协调压缩塑性应变，熔池是在已形成的压缩塑性应变框架中凝固；冷却过程中，焊缝和近缝区受拉伸作用，所产生的拉伸塑性应变部分地抵消了焊缝和近缝区在加热过程中产生的压应变，使残余不协调应变有所减小。根据研究结果，绘制出钛合金薄板焊接热弹塑性应力应变过程全图(WSS全图—Welding Thermal Elasto-Plastic Stress-Strain Cycles)，WSS全图由压缩塑性变形区、熔化区、拉伸塑性变形区、卸载区和受压弹性变形区构成。钛合金焊后残余状态，无论是焊缝还是近缝区，均处于卸载状态；焊缝内拉伸残余应力峰值低于材料的屈服应力，仅为0.5～0.7σo 利用所建立的三维热弹塑性有限元分析模型，对动态控制低应力无变形钨极氩弧焊技术(DC-LSND GTAW，Dynamically Controlled Low Stress No Distortion Gas Tungsten Arc Welding)机理进行了定量的系统分析。研究发现，在DC-LSND GTAW过程中，由于热沉的急冷作用，在试件上热沉作用部位横向截面上形成马鞍形温度场，热沉作用部位处于该温度场的低谷；热沉的施加使得热源与热沉之间产生陡降的大温差和极大的温度梯度。热沉作用处金属的急冷收缩使焊缝两侧近缝区金属在升温过程中产生的压缩塑性应变相应减小；同时，对熔池与热沉之间已凝固的高温金属产生强烈的拉伸作用，拉伸塑性应变增大；焊缝与近缝区的不协调压应变减小，残余应力降低。当残余压应力被减小至低于板件临界失稳应力时，不再产生失稳变形；研究结果定量地揭示了DC-LSND GTAW低应力无变形的根本原因。 采用试验和数值研究方法，考察了DC-LSND GTAW时，热源与热沉之间的距离和热沉冷却强度这两个决定性的工艺参数对应力和应变的影响规律。结果表明：热源与热沉之间的距离较远时(如在所设定的试验与计算条件下，若D=80mm)，热沉的拉伸作用对塑性应变的影响很小，焊接残余应力与变形无明显改善；随着热源与热沉距离的减小，焊缝及近缝区中残余不协调压应变逐渐减小，焊缝中残余应力逐渐降低；但当距离减小到一定程度后(如D=25mm)，焊缝中出现反向拉伸塑性应变和较高的压应力。这表明，D值有相对理想的取值范围；在此区间取值，可获得焊缝中不协调应变和残余应力较低的结果。在 北京工业大学工学博士学位论文 所设定的试验与计算条件下，热沉与热源距离D的理想取值范围为45~一60 ror以。对热沉冷却强度的研究表明，热沉冷却强度的增大会使焊缝及近缝区中不 协调应变逐渐减小，应力逐渐降低，当热沉冷却强度足够高时，焊缝中甚至出 现了拉伸不协调应变和压应力。热沉强度的变化有一个临界值，当热沉强度超 过该值时，控制应力与变形的效果不再有显著改善。在所进行的试验和计算条 件下，与热沉冷却强度推荐值相对应的雾化水流量为2.5m珑。 在工程实际应用时，在DC一LSND GTAW的两个重要控制工艺参数中，热 源与热沉之间的距离对控制效果的影响最为显著，应优先予以确定;然后再选 取热沉冷却强度。当热源与热沉距离在推荐值范围内时，热沉冷却强度的临界 值是一个定值，与焊接热输入有关。换言之，在实际的DC一LSND GTAW时， 热沉工艺参数的选取可分两步进行:首先采用“力学熔点等温线法”，根据己 知的焊接参数、材料参数和试件几何参数确定热源与热沉距离的取值范围;其 次，根据“吸热法”确定热沉冷却强度。这一研究结果为快速而有效地确定控 制变形焊接工艺参数提供了理论基础，对于指导工程实践，节约试验材料和时 间、提高劳动生产率，均具有重要意义。 此外，采用检测方法，对比研究了常规GTAW和DC一LSND GTAW两种焊 接条件下，钦合金焊接接头的宏观形貌、金相组织及其拉伸和弯曲性能。结果 表明:两种焊接接头的焊缝外观形貌、几何尺寸基本一致，金相组织没有明显 差别;焊接接头均没有低倍缺陷，焊缝中心组织为马氏体，晶粒粗大;焊接接 头的拉伸性能和弯曲性能，无论是常规焊还是DC一LSND焊，两者相近?