钛合金

第31卷第3期2010年3月

焊　接　学　报

TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION

Vol.31　No.3March　2010

钛合金焊接过程应力应变特点分析

　　　　　　李　菊,　关　桥,　史耀武

　　　　　　　　　　2.北京工业大学材料学院,北京　100022)

摘　要:采用有限元分析和试验测试相结合的方法对钛合金薄板钨极氩弧焊的焊接应力应变进行分析.结果表明,在焊接不均匀加热和冷却的综合过程中,熔池金属是在周边已经产生了压缩塑性应变的框架内熔化,并在已经发生了压缩塑性应变的近缝区框架内冷却.焊缝冷却过程中,在“力学熔化”区间,有拉伸塑性应变的卸载过程,但残余状态仍保留了压缩塑性应变.焊缝在冷却、凝固降温过程中,其纵向拉应力的峰值始终低于材料在相应温度下的屈服强度,直至残余状态.关键词:钛合金;焊接;应力;应变

中图分类号:TG404　　文献标识码:A　　文章编号:0253-360X(2010)03-0053-05

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　　　　　　　　　　(1.北京航空制造工程研究所,北京　100024;

　菊

0　序　　言

20世纪50～60年代,对钛合金TC4薄板钨极氩弧焊对接进行了分

析.试验所用试件焊后尺寸为320mm×300mm×2.5mm.焊接电流200A,电弧电压11.9V,焊接速

.(如

F22)上,40%.因此,、变形及强度问题始终是航宇制造工程中要不断解决的现实课题.

[1]

关桥在20世纪60年代初进行的系统研究和试验测试的基础上,指出钛合金焊缝中的残余应力峰值仅为材料屈服强度的60%～70%;当时,还没有有限元方法,只是用解析求解的方法,分析了最简单的算例———氩弧点焊的热弹塑性应力应变过程,

[2]

给出了半定量的结果.随后,引入了“内拘束度”

[3-5]

的概念,用以表征材料特性对焊接过程应力应变形成的影响,并论证了残余应力峰值与内拘束度的关系.但对于移动热源焊接钛合金时的应力应变过程特殊性的定量求解,解析方法无能为力;只是在有限元计算方法和计算技术充分发展后,数值求解复杂的焊接力学问题才成为现实.时隔四十年,李菊采用数值模拟方法,从定量计算方面深入探讨了钛合金焊接热弹塑性应力应变过程的特点;既有与钢材相似的普遍规律,又定量地给出了钛合金焊接应力应变形成的不同特点.文中是对这一研究过程及结果进行详细的介绍与讨论.

[6-8]

度12m/h.焊接热源有效利用率67%,焊接过程中试件背面有铜垫板.测量了试件上距焊缝中心不同距离点的温度循环,对试件上残余应力、残余塑性应变的分布也进行了试验测量.为了能深入并定量地研究钛合金焊接应力应变过程的规律性和特殊性,建立了三维热弹塑性有限元模型.考虑结构的

[6-8]

对称性,取其一半进行数值模拟,有限元网格如图1所示.

[6]

[9]

图1　有限元网格

Fig11　MeshofFEA

TC4钛合金的材料参数由文献[10]获得,屈服

收稿日期:2008-10-06

基金项目:航空基金资助项目(05H25014)

强度、弹性模量等力学性能参数均随温度的变化而变化.焊接全过程按热弹塑性理论计算,屈服准则