对钛合金t形接头电子束焊接残余应力数值模拟 .pdf

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1、学兔兔www.xuetutu.com生产应用r蜉掳钛合金T形接头电子束焊接残余应力数值模拟北京宇航系统工程研究所(100076)袁双喜首都航天机械公司(北京市100076)史进朝郝文龙哈尔滨_v-,_lk大学现代焊接生产技术国家重点实验室(150001)何景山摘要建立了钛合金T型接头电子束焊接温度场和应力场的数值计算模型，利用大型有限元软件MSC．Marc对焊接过程进行了数值模拟。模拟过程采用高斯面热源和椭球体热源叠加的组合型热源模型。对所得模拟结果，分别分析了三向残余应力在不同方向上的分布曲线，分析认为，纵向应力表现出较大的数值，最大值可达750MPa。通过X射线衍

2、射的方法测量了焊接试件的横向残余应力，并与数值模拟结果进行对比，结果显示二者符合良好。关键词：数值模拟钛合金电子束焊残余应力中图分类号：TG456．3影响。目前，国内外对电子束焊接构件残余应力的研0前言究已经取得了一定的进展-5]。文中将对电子束焊接钛合金是航空航天领域中很有发展前景的材料，中常见的T形接头残余应力的分布特点进行分析。近年来，其使用比例逐年增加。电子束焊由于在真空1有限元计算模型条件下进行，焊缝金属化学成分纯净，并且接头热影响区小以及焊接变形小，是钛合金焊接的优选方法。文中采用的试验材料为钛合金，其中筋板为铸造电子束焊属于局部短时高温加热，焊缝窄而深，

3、在焊接钛合金ZT4，尺寸为100mm×10mm×9mm；盖板材料过程中会产生相当大的焊接应力，并在焊后残留在工为锻造钛合金TC4(Ti一6A1—4V)，尺寸为100mm×件中形成残余应力，对焊接构件的安全使用具有重要100mm×1．5mm。采用大型有限元分析软件MSC．Marc对钛合金T形接头电子束焊接过程进行有限元数收稿日期：2009—09—07值模拟，模拟过程中利用MSC．Marc自带的前处理程序焊丝CO：气体保护焊(焊丝X1)、熔渣型药芯焊丝COmm／mino气体保护焊(焊丝X2)。(3)对于保证U肋角焊缝良好的成形质量，坡口从图8中看出，采用熔渣型药芯焊丝X2

4、，熔宽较间隙的控制至关重要，当坡口间隙超过0．8mm时，焊宽、焊缝金属填充量不足，有咬边缺陷，焊接熔池底部接工艺裕度已很低。轮廓呈“锅形”，焊缝熔深也不足；而采用金属芯药芯焊参考文献丝x1，因其具有更高的熔敷速度，焊缝成形比较饱满，避免了咬边缺陷，且焊接熔池底部轮廓呈“杯底状”，焊[1]张华，舒先庆，黄新明．钢桥焊接中_[艺参数与焊缝金缝熔深满足设计要求。属填充量的关系[J]．焊接，2007(8)：50—52．[2]朱庆菊．钢箱梁斜拉桥U形加劲肋焊接[J]．金属加]：(热4结论加_丁)．2008(10)：42—45．[3】李建海，陈邦固．新型金属芯药芯焊丝的开发和应用

5、[J]．(1)金属芯药芯焊丝具有更高的熔敷速度，良好的焊接技术．2000(6)：47—50．工艺性能和抗裂性能，适合于钢桥u肋角焊缝的焊接。[4]陈伯蠡．焊接工程缺欠分析与对策[M]．北京：机械1一业对于板厚为8mm的u肋，其焊缝可一道焊接成形，各版社．2005．项指标均达到设计要求，大幅提高了焊接生产效率。(2)对板厚为8mm的U肋的焊接，优化的坡口尺寸为：坡口角度为52。，钝边尺寸为0～0．5mm，焊接参作者简介：张华，1981年出生，学士，工程师。主要从事钢数为：，=330～340A，U=25—27V，=250～270桥焊接技术工作，已发表论文9篇。2Olo年第

6、1o期55学兔兔www.xuetutu.com俘掳生产应用MSC．Mentat建立有限元模型。由于试件为对称结构，较小。故取一半进行建模。有限元模型采用非均匀网格，即靠近焊缝的区域网格密集，而远离焊缝的区域网格稀啪黜枷姗。姗枷疏，如图1所示。根据电子束焊的特点，许多学者在研究电子束焊星接数值模拟时，多采用组合型热源模型，并取得了很好的效果】。文中采用高斯面热源和椭球体热源叠加的组合型热源对焊接过程进行数值模拟，模拟过程中所需材料性能参数来自于文献[8]，对于缺少的高温参O2O406o8Olo0数采用插值和外推法获得。长度／mm图3沿焊缝方向残余应力分布曲线图4所示为筋

7、板厚度方向三向残余应力分布曲线，其中纵向应力的数值较大。3个方向上的应力表现为相同的变化规律，即在盖板和筋板的交接处(深度为1．5mm)附近出现拉应力的峰值，然后在深度为4mm的附近拉应力转化为微弱的压应力，此后应力的数值∞加∞o∞图1有限元计算模型633都处在零点附近且没有明显变化。∞∞加加∞0∞0臼422残余应力的模拟结果图2所示为垂直焊缝方向三向残余应力分布曲线，其中纵向应力数值较大。3个方向的残余应力具善有相同的变化规律，即在近缝区表现为较大的拉应力，《然后逐渐下降至压应力最大值后又逐渐趋近于无应力状态。距离／mm苫图4沿筋板厚度方向残余应力