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。     

熔化焊和摩擦焊残余应力分布规律分析

为了研究熔化焊和摩擦焊焊接方法残余应力的分布规律,分别对4 mm厚的低合金高强钢采用手工电弧焊和摩擦焊进行焊接实验,焊接后采用盲孔法测量钢板的残余应力,得到了残余应力的分布曲线。再通过有限元仿真模拟出熔化焊和摩擦焊的加热和冷却过程,分析残余应力的分布规律。讨论了转速与焊接速度对残余应力分布的影响机理,进一步提高了搅拌摩擦焊接头性能、质量和可靠性。     

焊接残余应力的分布和焊后热处理的应力松驰作用

通过钻盲孔法研究了里海型焊接试板焊接残余应力的分布和焊后热处理对焊接残余应力松驰的影响，讨论了适合生产实际的焊后热处理条件。结果发现，在焊缝区及其周围存在着高焊接残余拉应力，且纵向应力远大于横向应力。焊扫热处理能够显著降低焊接残余应力，并且焊后热处理温度越高，应力松驰效果越好。对于一般的工程需要，焊后热处理温度下限定于550℃较适宜，可使应力松驰率达到80％以上。在强烈腐蚀环境中工作的压力容器，为防止诱发应力腐蚀开裂，应选择620℃、30min或1h保留的焊后热处理，此时应力松驰率可达到90％以上。在热处理温度低于规范温度时，延长保温时间对于焊接残余应力的松驰影响不大。     

热焊工艺消除16MnR钢焊接残余应力的研究

以16MnR钢材料为研究对象,采用一种新型的用于降低焊接残余应力的热焊工艺方法对其进行焊接,通过小盲孔法测定各焊接试板的焊接残余应力。与普通焊接后的试板进行比较得出,热焊工艺对16MnR钢焊后的残余应力降低效果明显,同时不同热焊工艺参数对焊接残余应力的影响不同。     

焊接残余应力的分布和焊后热处理的应力松弛作用

通过钻盲孔法研究了里海型焊接试板焊接残余应力的分布和焊后热处理对焊接残余应力松弛的影响 ,讨论了适合生产实际的焊后热处理条件。结果发现 ,在焊缝区及其周围存在着高焊接残余拉应力 ,且纵向应力远大于横向应力。焊后热处理能够显著降低焊接残余应力 ,并且焊后热处理温度越高 ,应力松弛效果越好。对于一般的工程需要 ,焊后热处理温度下限定于5 5 0℃较适宜 ,可使应力松弛率达到 80 %以上。在强烈腐蚀环境中工作的压力容器 ,为防止诱发应力腐蚀开裂 ,应选择 6 2 0℃、30min或 1h保温的焊后热处理 ,此时应力松弛率可达到 90 %以上。在热处理温度低于规范温度时 ,延长保温时间对于焊接残余应力的松弛影响不大     

盲孔法测量高残余应力的可靠性与精确度

钻孔法测量残余应力的范围是应力不超过材料屈服极限的一半。但是在许多情况下,钻孔法是用于测量焊接残余应力,而该应力峰值往往接近材料的屈服极限。本文探讨了盲孔法测量高残余应力的可靠性与精确度。为了模拟工程应用中测量残余应力的实际过程,本文采用标定的方法,即在试验机保持一定载荷不变的条件下进行贴片与钻孔操作,测得释放应变值。试验结果表明,用测得释放应变值计算出的应力值与标定应力值吻合较好,最大绝对误差仅为21 MPa。     

镀锌钢板的CO2激光焊焊接性

以裁焊板工业生产为背景，对汽车用镀锌钢板的CO2激光切割板坯的CO2激光焊焊接性进行了试验研究。对于不等厚和等厚的镀锌板拼接进行CO2激光焊接，在激光功率4000W时其焊接速度可达0．1m／s。对镀锌钢板激光切口拼接的激光焊接与铣口拼接的激光焊接的焊缝形貌和硬度进行了比较，它们产生的焊缝宽度在0．5-1．0mm范围，激光焊缝最大硬度比母材硬度高出1-1．5倍，激光焊接对激光切口拼接与铣口拼接两者都可获得等同的宏观焊接质量。     

平板对接焊残余应力的三维有限元模拟与实验研究

针对平板对接焊焊接时的热应力特征,通过对焊接过程中加热与冷却温度场的正确描述,并采用合理的热源模式,应用有限元软件ANSYS对其温度场和应力场进行了耦合模拟分析.分析中考虑了钢材热物理参数和力学参数随温度变化的非线性,得到了焊后残余应力的大小与分布规律.设计了等厚和不等厚两组焊接试件,采用盲孔法对其残余应力进行了实测,实测结果与数值模拟结果吻合良好,证明了有限元数值模拟方法的正确.     

铝合金激光焊接残余应力与变形研究

对Al-Mg-Mn合金冷轧板进行激光焊接,分别采用X射线衍射和计算两种方法进行焊接残余应力评价,并对焊件的应变做了分析。结果表明:建立的模型适合此类焊接的仿真计算,铝合金焊件中,残余应力的作用范围主要在焊缝中间段和两端部位,垂直于焊缝方向应力作用范围很小。整个焊件上,应变主要发生在焊缝及其附近区域。     

TC2钛合金薄板CO2激光焊对接接头组织与性能

采用大功率CO2激光焊接设备,研究了TC2钛合金薄板的焊接工艺.针对4 mm厚TC2钛合金对接接头,分析焊缝和热影响区的显微组织结构,检测焊接接头的显微硬度分布规律,并综合试验结果分析焊接接头不同区域的性能.结果表明,焊缝的微组织较母材粗大,具有较强的沿焊接热影响区经焊缝界面向焊缝中心生长的方向性;焊接接头在焊缝区的硬度最高,热影响区硬度较低且硬度变化幅度较大,靠近母材处硬度值最低,是接头强度的薄弱区.     

AZ61镁合金CO2激光焊接工艺

采用CO2激光试验系统对AZ61镁合金的激光焊接工艺进行了研究.探讨了焊接工艺参数包括激光功率、焊接速度、正反面保护气体流量对焊接效果的影响.结果表明,通过适当地选择工艺参数可以获得比较理想的焊缝,并通过大量试验获得了较为优化的参数范围.     

激光冲击消除焊接残余应力

对现有焊接残余应力的理论进行分析,讨论激光冲击处理消除焊接残余应力的可行性,认为短脉冲高峰值功率密度的激光冲击焊接接头产生的等离子体冲击波,可使焊接接头表面产生塑性应变,能有效消除焊接残余拉应力。文章设计了激光冲击强化12Cr2Ni4A钢焊接接头试验,通过选择不同焊接材料和焊接方式,设计了4种焊接状态,分别进行激光冲击强化。试验结果表明,激光冲击强化均能消除氩弧焊和等离子焊等焊接方式的焊接残余拉应力,改善焊接接头表面的力学分布,在选用NAK80焊材和等离子体焊方式时,形成的残余压应力幅值高达884MPa,极大提升了焊接接头的力学性能。     

Elasto-visco-plastic analysis of welding residual stress

Abstract

In the past three decades, extensive research has focussed on the application of numerical methods for the computation of residual stress. Most commonly, the simulations involved performing weakly coupled thermal mechanical finite element analyses in Lagrangian reference frames assuming rate independent elasto-plastic material response. Nearly all approaches assumed rate independent elasto-plastic material response, which is most appropriate at low to moderately elevated temperatures. At, the high temperatures near the fusion zone, the material response becomes rate dependent and an elasto-visco-plastic model would be more suitable. In 1989, Brown et al. (Int. J. Plast., 1989, 5 , 95–130) proposed a rate dependent constitutive equation (commonly known as Anand's model) to describe the plastic evolution of metals at high temperatures. The objective of this work is twofold: evaluate the suitability of Anand's elasto-visco-plastic model in computing welding residual stress and investigate the feasibility of an Eulerian implementation of Anand's model in modelling welding residual stress. Such an implementation has the potential to reduce computational cost in modelling welding processes, since it is a steady state analysis as compared to the common time incremental Lagrangian analyses. An Eulerian reference frame is also more advantageous in modelling processes with large deformation such as friction stir welding, rolling and extrusion since excessive mesh distortion and re-meshing are no issues as the case of Lagrangian models (Int. J. Mater. Form., 2008, 1 , 1287–1290).     

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.     

仪表板横梁管件焊接残余应力的预测

运用有限元方法,对汽车仪表板横梁薄板结构焊接时采用断续焊的温度场及残余应力场进行了热-弹塑性数值模拟。选取局部模型并对模型进行简化,采用焊缝热影响区网格细化技术,笔者较为精确地计算出了温度场及残余应力场的分布。基于在实际焊接过程中对温度场的测定,并以此为热源载荷导入模型进行热-结构耦合计算。研究了断续焊对温度场及残余应力场的影响因素。结果表明:断续焊对母材有循环加热作用,且后焊焊缝热影响区的残余应力比先焊焊缝热影响区的大,焊接残余应力最大值出现在焊缝收弧端根部与大管母材的交界处。     

焊接残余应力的温度-组织-应力耦合分析

在应变加和分解式的基础上,通过引入相变应变增量描述模型,采用均匀化方法对多相组织力学行为进行描述,构建可以对温度-组织-应力耦合关系进行表征的模型,并将该模型应用于对9Cr1Mo钢管道环焊缝接头焊接残余应力的分析中.结果表明,在数值模拟中,使用三维有限元模型进行计算,计算结果很好的体现了在焊接过程中马氏体相变随热源移动逐渐进行的过程.在对焊接残余应力的表征上,无论是在残余应力沿管道轴向分布的特征,还是在具体的残余应力水平上,三维有限元计算的结果均与实际测量结果取得了较好的吻合.     

背反射增效激光X形焊缝焊接残余应力的数值分析

以1.5 mm厚的TC4钛合金薄板为对象,建立了背反射增效激光焊接成形过程的三维瞬态有限元模型,基于熔池温度场通过间接耦合方式获得了X形焊接成形的应力场.结果表明,在常规激光焊接仅能获得V形焊缝的激光工艺参数下,背反射增效激光焊接可获得对称性好的X形焊缝;同时,其焊缝上表面纵向残余应力与常规激光焊接基本一致,但其焊缝下表面纵向残余应力较常规激光焊接要大,且达到了上表面纵向残余应力相同的水平;此外,不同线能量下背反射增效激光焊纵向残余应力的变化很小,表明背反射增效激光焊接的线能量对其焊接残余应力影响的敏感度较低.     

Joint performance of CO2 laser beam welding 5083,H321 aluminum alloy

Laser beam welding of aluminum alloys is expected to offer good mechanical properties of welded joints. In this experimental work reported, CO2 laser beam autogenoas welding and wire feed welding are conducted on 4 mm thick 5083- H321 aluminum alloy sheets at different welding variables. The mechanical properties and microstructure characteristics of the welds are evaluated through tensile tests, micro-hardness tests, optical microscopy and scanning electron microscopy （SEM）. Experimental results indicate that both the tensile strength and hardness of laser beam welds are affected by the constitution of filler material, except the yield strength. The soften region of laser beam welds is not in the heat-affected zone （ HAZ ）. The tensile fracture of laser beam welded specimens takes place in the weld zone and close to the weld boundary because of different filler materials. Some pores are found on the fracture face, including hydrogen porosities and blow holes, but these pores have no influence on the tensile strength of laser beam welds. Tensile strength values of laser beam welds with filler wire are up to 345.57 MPa, 93% of base material values, and yield strengths of laser beam welds are equivalent to those of base metal （264. 50 MPa）.