电子束焊接及局部热处理复合技术的数值分析

电子束焊接及局部热处理复合技术是一种多功能的电子束加工技术.文中以ANSYS有限元分析软件为平台,对2,6和12 mm厚的TC4钛合金平板电子束焊接和局部热处理时的温度场和应力场进行了数值模拟计算,详细分析了局部热处理对不同厚度钛合金平板电子束焊接温度场和残余应力场的影响规律.结果表明,在给定的计算条件下,2 mm厚TC4钛合金平板的电子束局部热处理效果最好,电子束局部热处理后上表面距焊缝中心线4 mm的区域内冷却速度基本一致,纵向残余拉应力最大值由780 MPa降低到560 MPa,减小幅度达到28%.     

12 mm厚钛合金平板电子束焊接的数值模拟

采用ANSYS有限元分析软件,建立12 mm厚TC4钛合金平板电子束焊接温度场和应力场的三维有限元数值计算模型。模型采用圆锥体热源考虑电子束焊接时的小孔效应;材料的热学、力学性能参数随温度变化;相变和熔池内液体的对流散热通过比热和热导率的变化实现。计算结果表明：钛合金电子束焊接时,熔池呈典型的卵形分布。高值纵向残余拉应力集中分布在焊缝中心线两侧距焊缝中心线4 mm的区域内,平板内部出现接近材料屈服极限的局部三维残余拉应力状态。实验得到的焊缝宏观形貌和小孔释放法检测到的焊接残余应力对计算结果进行验证,实验结果和计算结果吻合较好,证明了有限元模型的正确性。     

钛合金电子束焊接和局部热处理后残余应力分布特征

采用小孔法测定了14.5mm厚TC4钛合金平板电子束焊接,研究了电子束焊接和局部热处理集成加工工艺下残余应力的分布,分析了局部热处理对焊接接头残余应力分布特征的影响.结果表明,在实验条件下电子束局部热处理后纵向残余拉应力的分布区间由焊接状态下焊缝中心线两侧距焊缝中心线5mm的区域减小到2mm的区域,纵向残余拉应力峰值同焊接状态相比降低了76%,横向残余压应力峰值降低了65%.电子束局部热处理未扫描的母材区域,残余应力数值同焊接状态相比几乎没有变化.     

BT20钛合金电子束焊接残余应力三维有限元数值模拟

研究钛合金电子束焊接构件残余应力的大小和分布，了解残余应力的形成机理，具有十分重要的理论和实际意义。作者利用ANSYS程序模拟了BT20钛合金电子束焊态和焊后电子束局部热处理的实际焊接温度场以及焊接接头应力场的变化和残余应力的分布。计算结果表明，钛合金薄板焊缝中心残余拉应力的峰值达到焊缝金属屈服强度σn的60％-70％；焊后电子束局部热处理可以降低焊缝中心处的拉伸残余应力值，降低约50％左右；用所建模型计算得到的数值结果规律与实测的残余应力值基本一致。     

大厚度钛合金结构电子束焊接制造基础研究

通过对大厚度电子束焊焊缝几何特征和接头组织和力学性能不均匀性的研究,提出焊缝几何特征表征参量和不均匀性表征因子;通过对接头损伤、断裂和疲劳的实验和理论研究,提出大厚度钛合金电子束焊接接头的失效机理;通过对焊接应力变形的理论和数值模拟研究,提出大厚度钛合金电子束焊接接头残余应力形成的机理;在上述研究的基础上,设计大厚度钛合金电子束焊接结构完整性评价体系.从而有望建立大厚度钛合金电子束焊接接头性能定量调控理论与工艺方法和有自主知识产权的大厚度钛合金电子束焊接结构强度、断裂和疲劳完整性评价的方法和指南.     

BT20钛合金电子束热处理残余应力计算

利用三维有限元分析软件，模拟了BT20钛合金薄板焊态和焊后电子束局部热处理的实际焊接温度场以及残余应力的分布。结合数值计算，讨论了不同的热处理方式以及热处理工艺参数对焊接接头残余应力分布的影响。结果表明，在钛合金薄板焊缝的背面进行电子束局部热处理，可以显著降低焊缝中心处的残余拉应力。数值计算结果还表明，在其它工艺参数相同的情况下，随着局部热处理加热宽度和加热时间的增加，焊缝及近缝区的纵向残余应力随之降低，同时产生残余应力的范围也随之增大。     

数值计算模拟工艺参数对电子束焊接残余应力的影响

电子束焊接残余应力的实测需要花费大量成本,因此采用数值模拟其焊接残余应力的大小和分布具有重要意义.利用三维有限元分析程序,建立了TC4钛合金板电子束焊接温度场和残余应力场的有限元分析模型,着重分析了高压和中压两种工艺参数对其接头焊接残余应力的影响.旨在探讨不同工艺参数对电子束焊接过程的影响规律,从而优化工艺,降低成本.计算结果表明,采用中压参数焊接的电子束焊接接头残余应力的峰值比采用高压参数的接头残余应力峰值高;而且其残余应力分布更集中于焊接接头中段.     

35CrMnSi钢平板电子束焊残余应力模拟与实测

研究了35CrMnSi低合金高强钢平板电子束焊残余应力的大小与分布,利用ANSYS软件模拟了35CrMnSi低合金高强钢电子束焊的实际温度场以及焊接接头应力场的变化和残余应力的分布,并与实测值进行了比较.计算结果表明:计算与实测的35CrMnSi钢电子束焊接头残余应力的整体分布趋势和规律基本一致;在焊缝及近缝区,计算的纵向残余应力数值比实测值略大,横向残余应力值与实测值更为接近;在远离焊缝中心的区域,有限元计算数值与实测结果吻合得更好些.     

钛合金T形接头电子束焊接残余应力数值模拟

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750 MPa。通过X射线衍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。     

电子束热处理对钛合金接头残余应力的影响

采用小孔法,测量了BT20钛合金电子束焊接接头在焊态和电子束局部热处理两种状态下残余应力的分布。结果发现,钛合金电子束焊接接头处以纵向残余应力为主;通过电子束局部热处理,使焊缝处的残余应力峰值降低了约50％;在热处理的过程中,必须采取一定的措施,在改善残余应力的同时尽量避免产生变形。     

铸造Ti-Al-Mo-Zr钛合金电子束焊接接头组织与性能

选用电子束焊接方式对14 mm厚铸态Ti-Al-Mo-Zr钛合金进行焊接,在合适的工艺参数下获得成形良好、无内部缺陷的焊接接头。室温下测试与分析焊接接头的显微组织、显微硬度和力学性能,结果显示焊缝处主要由β相基体和粗大的针状α相组成,热影响区处受焊接热循环作用部分转变为网状片层组织。焊缝处硬度略高于母材处,接头整体硬度分布均匀,无明显弱化区域;接头焊缝处抗拉强度优于母材,焊缝处冲击值AKV达到75 J/cm~2,热影响区冲击值为73 J/cm~2,Ti-Al-Mo-Zr钛合金电子束焊接接头冲击韧性良好。     

淬火残余应力对铝合金厚板裂纹应力强度因子及扩展趋势的影响

为探究淬火残余应力对铝合金厚板疲劳裂纹扩展的影响规律,建立7075铝合金厚板表面三维裂纹数值仿真模型。采用顺序热力耦合法求解淬火残余应力场,将残余应力场作为初始载荷条件求解裂纹应力强度因子,并与无残余应力场的应力强度因子值进行对比,研究两种条件下应力强度因子的分布规律和两者之间的异同;通过分析在初始淬火残余应力条件下不同半径裂纹受不同均匀拉应力荷载作用时的裂纹应力强度因子随裂纹位置角的演变曲线,探究淬火残余应力对裂纹扩展趋势的影响规律。结果表明,淬火残余应力的存在改变了铝合金厚板应力强度因子的分布规律和裂纹的扩展趋势,淬火残余应力使表层附近的裂纹扩展受到遏止,裂纹易于在厚度方向优先扩展。     

TA15钛合金电子束焊焊接接头力学性能

钛合金材料以及相关制造技术是实现飞机先进性的重要基础之一,电子束焊接是钛合金板材一种先进的焊接形式.对TA15钛合金板材电子束焊接试样进行了金相分析和静力试验、疲劳试验和扫描电镜(SEM)分析.结果表明,TA15板材电子束焊焊接接头的焊缝、热影响区和母材的微观组织差别明显;焊缝韧性降低,抗拉强度高于母材;热影响区尺寸较小,在1～2 mm左右,是焊接接头的薄弱部位;疲劳裂纹大多萌生于焊接热影响区区域,疲劳破坏试样断口的SEM分析表明,疲劳裂纹大多起源于焊接热影响区的气孔处.     

TA12钛合金电子束焊接组织性能及残余应力分析

采用电子束焊接TA12钛合金薄板焊缝表面成形良好,焊缝区以马氏体组织为主,细小的稀土相呈均匀弥散分布状态;随着距焊缝距离的增加,稀土相尺寸逐渐增大,数量逐渐减少,并逐渐趋于球形,沿接头呈一定的规律性分布.小孔法残余应力测试结果表明,垂直于焊缝方向残余应力以纵向应力主,应力呈梯度分布,横向应力较低;焊缝区为纵向拉应力区,应力峰值低于其屈服强度,横向应力为较小的压应力;沿焊缝试板中心区(±20 mm范围内)焊接残余应力分布趋于稳定.     

Effects of welding parameters on weld shape and residual stresses in electron beam welded Ti2AlNb alloy joints

In order to estimate the residual stresses in Ti₂AlNb alloy jointed by electron beam welding (EBW), a computational approach based on finite element method was developed. Meanwhile, experiments were carried out to verify the numerical results. The comparison between the simulation results and measurements suggests that the developed computational approach has sufficient accuracy to predict the welding residual stress distributions. The results show that the central area of the fusion zone suffers tensile stresses in three directions. When the other parameters remain unchanged, the focus current has great impact on the weld shape and size, and then affects the residual stress level significantly. Moreover, the thick plate full-penetrated EBW weld suffers near 1000 MPa tensile stress of Z-direction in the center of the fusion zone. The wider weld has lower tensile stress in Z-direction, resulting in lower risk for cracking.     

航空用钛合金激光焊和TIG焊残余应力测试

钛合金是重要的航空材料。采用小孔释放法对钛合金平板激光焊接和钨极氩弧焊(TIG)残余应力进行了测试研究，分析了焊接方法及焊接热输入和焊后热处理对残余应力分布规律的影响。研究结果表明：在热影响区内，激光焊接残余应力分布规律与普通熔焊方法相似，但其分布区域较窄；与TIG焊相比，激光焊残余应力值大约低100MPa；焊后热处理能显著降低残余应力并使其分布区间平缓。     

热影响区几何尺寸对铝合金焊接接头变形及强度影响规律

用有限元软件ABAQUS对平板对接铝合金焊接接头进行拉伸模拟,研究了HAZ几何尺寸对焊接接头变形及强度影响规律.结果表明,随着HAZ长度的增加,铝合金焊接接头的屈服强度和抗拉强度均逐渐降低,应力三轴度在母材与HAZ交界处和焊缝与HAZ交界处存在突变,应力三轴度最大值的位置从母材与HAZ交界处转变为焊缝与HAZ的交界处;随着接头厚度的增加,屈服强度和抗拉强度基本上是逐渐增大的,接头中的应力三轴度取决于试样的厚度、焊缝区尺寸及HAZ尺寸;随着接头宽度及标距长度的增加,屈服强度、抗拉强度和焊缝及HAZ范围内的应力三轴度基本上是逐渐增大的.当试样标距长度增加到某一值时,这三个参数将不再发生变化,为一恒值.     

热沉影响钛合金薄板焊接残余应力的试验分析

采用切条应力释放法测量了钛合金TC4薄板常规钨极氩弧焊(GTAW)和动态控制低应力无变形GTAW对接试件中的纵向残余应力和纵向残余塑性应变的分布。测量结果表明,钛合金常规GTAW缝中残余拉应力峰值小于其母材屈服强度,焊缝附近存在残余压缩塑性应变;动态控制低应力无变形GTAW焊技术中热沉的冷却作用使得热源与热沉之间的高温金属承受强烈的拉伸作用,产生拉伸塑性变形,部分抵消了焊接过程中已产生的缩短的塑性变形,使得试件中纵向残余塑性应变减小,焊接残余拉应力峰值降低,残余压应力水平降低。切条应力释放法是一种简便有效的薄板焊后残余应力测量方法,能够满足工程应用的精度要求。     

厚板钛合金窄间隙TIG焊接头组织与性能

采用氩弧焊的方法在窄间隙条件下,采用TIG填丝多层焊的方式实现了TC4厚板钛合金的优质连接．结果表明,通过优化焊接参数和合理的惰性气体保护方案设计,保证了接头的完整性与可靠性．通过宏观和微观金相分析,发现窄间隙焊接条件下晶粒生长遵循联生结晶生长规律;由于受到焊接热循环的作用,致使接头显微结构随着冷却速度变化呈现不同的组织结构;窄间隙TIG焊接头因啮合强化而使得接头强度得到提高,焊缝的平均强度达到母材的90％以上．     

添加铜填充层的Ti-15-3钛合金与304不锈钢电子束焊接过程中的温度与应力场(英文)

采用铜填充金属对Ti-15-3钛合金与304不锈钢进行电子束焊接,对Ti/Fe和Ti/Cu/Fe接头在焊接过程中的温度场和应力场进行数值模拟和试验测量。结果表明,高斯旋转体热源适用于电子束焊接过程的模拟。温度场对于焊缝中心呈非对称分布,钛侧的温度高于不锈钢侧的。热应力同样呈非对称分布,残余拉应力主要存在于不锈钢侧。铜填充金属的加入,降低了焊接过程中的峰值温度、温度梯度以及残余应力,纵向和横向残余拉应力分别降低了66MPa和31MPa。从温度场和应力场的角度可以看出,铜合金是一种较好的Ti-15-3钛合金与304不锈钢电子束焊接的填充金属材料。