对钛合金焊接应力应变的数值模拟 .pdf

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1、学兔兔www.xuetutu.com俘搭试验研究一钛合金焊接应力应变的数值模拟北京航空制造工程研究所(100024)李菊关桥郭德伦北京工业大学(100022)史耀武摘要采用数值模拟方法研究在移动热源情况下钛合金焊接应力应变发展过程。研究结果表明：钛合金焊接应力应变发展模式与铝合金和不锈钢等材料不同。无论是在点状加热还是移动热源情况下，在残余状态，钛合金焊缝均处于卸载状态，并未达到拉伸屈服。熔池内的金属是在两侧有压缩塑性应变的框架下熔化的；冷却过程中，焊缝也是在已有的压缩塑性应变的框架下的拉伸，虽然焊缝承受拉伸塑性应变，但不足以完全抵消已产生

2、的压缩塑性应变，残余状态仍为负的不协调应变。关键词：钛合金焊接应变数值模拟中图分类号：TG404在拉伸应力作用下卸载，残余状态为弹性区包围着中0前言心卸载区。而图1b中的第二种模式却与此不同。以从20世纪5O年代初开始在工业上应用之日起，铝合金、不锈钢为代表的模式2在残余状态试件上为钛合金就在短时间内迅速成为航空飞行器设计制造的卸载环分隔的中心拉伸塑性应变区和周边弹性区，即重要材料¨J。钛合金的力学性能和热物理参数，如弹焊接残余应力峰值达到了材料室温下的屈服应力。由性模量、屈服强度和热膨胀系数等，与铝合金、不锈钢此可见，氩弧点状加热情况下，

3、无论是焊接热应力应变等有着显著的不同，因而钛合金焊接应力应变过程有发展过程还是残余状态，钛合金与铝合金、不锈钢等都着其自身的独特性。早在20世纪60年代，文献[2]就有着明显的不同，钛合金焊接残余应力峰值低于材料用试验和解析的方法对钛合金焊接应力应变进行了研室温下的屈服应力。究，发现与铝合金、不锈钢等其它材料相比，钛合金焊熔接残余应力的峰值低于材料室温下的屈服应力。由于受当时计算条件的限制，未能定量论证钛合金焊接热应力热应变全过程的行为。到20世纪80年代，随着数值计算技术的迅猛发展，文献[3，4]建立了二维轴对称数值模型分析钛合金薄板氩弧

4、点状加热应力应变全过程，发现了钛合金应力应变过程与铝合金、不锈钢等塑性区其它材料不同的发展模式。在点状加热情况下，钛合(a)模式1金焊接应力应变的特点已经明了；在移动热源焊接情况下，这一应力应变过程又将如何?利用有限元工具定量揭示其规律正是文中的研究内容。1氩弧点状加热应力应变发展典型模式氩弧点状加热情况下钛合金应力应变发展过程如图1a所示。电弧加热区及附近区域在加热过程中由于受压缩产生了压缩塑性应变，随着冷却过程的进行卸载卸载塑性拉伸(b)模式2收稿日期：2009～lO—l6资金项目：航空基金资助项目(05H25014)图1氩弧点状加热瞬

5、态应力应变发展的两种典型模式142010年第2期学兔兔www.xuetutu.com试验研究r缛搭综合图4进行分析可以看到，在热源之前的X=+2计算模型10mm截面，由于钛合金导热系数较低，导热能力较为研究钛合金薄板钨极氩弧焊应力应变的分布规差，这一截面未受焊接热源的明显影响；与此相对应，律，建立三维热弹塑性有限元模型。对钛合金TC4薄这一截面没有塑性应变的产生，只有中心部位由于温板对接进行分析，考虑结构的对称性，取其一半进行数度略有上升受热膨胀而产生的受压弹性应变和远区的值模拟，有限元网格如图2所示。试验所用试件焊后受拉弹性应变。尺寸为3

6、20mm×300mmx2．5mm。焊接电流为200A，在热源到来的X=一6mm截面，温度急剧上升，中电弧电压为11．9V，焊接速度为12m／h。焊接热源有心金属熔化，形成熔池；熔池最大半宽为5mm。在这效利用率为67％_5J，试件背面有铜垫板。TC4钛合金一截面上，距中心Y=8．3mm以内的区域温度都超过的材料参数由文献[6]获得，屈服强度、弹性模量等力了材料的“力学熔点”(所谓“力学熔点”，是相对冶金学性能参数均随温度变化。熔点而言，把材料在高温时处于零应力状态对应的起始温度定义为“力学熔点”。钛合金TC4的“力学熔点”设定为800℃[4

7、j)，由此在这一截面上，熔池边缘5～8．3mm之间的金属处于力学熔化状态。由图4c可以看出，在X=一6mm截面上塑性应变的分布不为零，距中心10mm以内的区域存在负的塑性应变。之所以如此，是因为在熔池熔化前，升温膨胀受到限制，图2有限元网格产生压缩塑性应变；熔池熔化，虽然熔融的金属自身为无应力无应变的状态，但由于熔池并不是孤立存在的，3计算结果及分析熔池内的金属是在焊缝两侧已产生压缩塑性应变的框选取焊接过程中某时刻垂直焊缝的几个典型截面架中熔化的，因而熔池内部的点在经历熔化这一阶段进行研究。为了排除起弧与熄弧的影响，对焊接过程时仍然是框架中

8、的一部分。因而在X=一6mm截面达到准稳态后某一时刻应变的分布进行分析。文中选上，从中心至试板边缘分别为以下几个区域：中心为熔取焊接开始60S时的情形进行研究。以电弧中心作用池，