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。     

基于超声波冲击的TC4钛合金焊接残余应力消除分析

为探究超声波冲击对中厚板TC4钛合金焊接残余应力控制效果，采用TIG多层多道焊方法制备12 mm厚对接试板，分别对焊接试板进行4,6,8次超声波冲击处理，采用盲孔法进行应力测试，得到冲击次数对残余应力的影响规律，并将最优冲击次数的残余应力与焊态和热处理态结果进行对比。结果表明：采用超声波冲击方法对焊缝附近残余拉应力具有显著的消除效果，随冲击次数增加，残余压应力区及压应力值逐渐增大，当达到峰值后继续增加冲击次数，压应力区及压应力值呈下降趋势；对比热处理方法不仅将消除原有残余拉应力，而且在焊缝区产生有益的压应力。     

钛合金薄板焊接应力的随焊锤击控制

将随焊锤击技术应用于钛合金薄板焊接应力与变形控制，分别对TC4钛合金薄板进行常规焊和采用随焊锤击技术对焊接应力与变形进行控制，结果证实，随焊锤击工艺有效地减小了薄板焊件的挠曲变形，焊缝的纵向残余应力减小到常规焊的1／10，最大焊接挠曲变形由常规焊的15mm减小为5mm。     

TC4钛合金圆管焊接工装设计及工艺优化分析

设计了TC4钛合金薄壁圆管的焊接工装,在焊接过程中将薄壁圆筒纵向焊缝分成数段,可以顺利完成纵缝、环缝的焊接;通过数值模拟技术分析了不同焊接顺序对薄壁筒节纵缝TIG焊接残余变形与应力的影响。模拟结果表明,不同焊接顺序焊后残余变形均以厚度方向为主,焊接顺序对降低薄壁圆筒残余变形作用明显。薄壁圆筒焊后残余应力以纵向为主。分段焊缝相连接的区域纵向残余应力出现较大的波动,分段焊缝的数目越多,相应的纵向残余应力值越高。     

TC4钛合金激光焊接接头横向超塑变形数值模拟研究

通过ANSYS软件对TC4钛合金激光焊板的高温拉伸行为进行了数值模拟,得到横向TC4钛合金激光焊试样的高温拉伸等效模拟应变图和应力-应变曲线图。模拟结果表明:厚度为0.8 mm的TC4钛合金激光焊接接头在拉伸过程中,因焊缝存在着大量的残余应力,使得焊缝的应力值大于母材的应力值。当母材的应变超过临界应变时,母材开始出现动态再结晶,随后流动应力开始减小。相同变形条件下焊板流动应力大于母材,母材在高温拉伸过程中发生动态再结晶,使母材产生大量的缺陷,进而发生断裂。     

有限元法在钎焊中残余应力的分析及应用

采用有限元方法研究TC4钛合金和YG8硬质合金异种材料的真空钎焊工艺。根据焊接残余应力场传导方程、边界条件、初始条件,利用ANSYS软件实现焊接残余应力场仿真。采用abaqus6.11软件平台,以镍基钎料为例,基于Mises应力应变准则计算出焊后接头残余应力水平,结果表明残余拉应力集中分布于硬质合金一侧,最高值达1328 MPa。据此推测应力裂纹应产生于钎料/硬质合金侧,理论分析与试验结论一致。试验结果表明,采用有限元法对控制真空钎焊过程中焊缝处的裂纹有重要的指导意义。     

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。     

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。     

基于轮廓法测试钛合金线性摩擦焊接的内部残余应力(英文)

采用轮廓法测试TC17钛合金线性摩擦焊接的内部应力。该方法是一种较新的能获得构件内部应力全貌的破坏性测试技术。首先将测试试件切割成两半,然后测试因应力释放而造成的切割面变形,最后将切割面的测试轮廓作为线弹性有限元的边界条件计算垂直切割面的内部残余应力。分析TC17线性摩擦焊接内部残余应力的分布特征。测试结果表明:TC17钛合金线性摩擦焊接头距焊缝中心12 mm区域的内部残余应力为拉伸应力,峰值拉伸应力出现在焊缝中心位置,达到360 MPa(约为TC17钛合金屈服强度的1/3);焊缝区域残余应力沿厚度分布不均匀,内部应力大于上下表层区域的应力。     

钛合金电子束焊接应力分析的有限元模型

建立了两种钛合金平板电子束焊接应力场的数值分析模型，针对4mm厚的TC11钛合金平板试件，计算分析不同计算模型对电子束焊接残余应力的影响。结果表明厚度为4mm的平板电子束焊接接头，在焊缝及其近缝区很窄的区域内，存在着数值接近材料屈服极限的纵向残余拉应力，而表面横向残余应力则为压应力，且残余应力在厚度上也呈不均匀分布，数值计算模型应根据研究问题的特点来选取。     

X70管线钢厚板多层多道焊残余应力数值分析

基于逐层激活建模方式实现对多层多道焊接过程中焊缝金属填充的模拟,分别以半椭球体电弧热源模型和均匀柱体分布的熔滴热源模型为热源模型,建立了不等厚X70管线钢板多层多道焊接有限元计算模型,数值计算并分析了焊接过程中温度场和应力场演变、焊后残余应力状态。结果表明,经过多次焊接热循环后先形成的焊缝的应力状态与母材中焊接热影响区的应力状态接近;接头焊根处的残余应力要比盖面焊趾处的残余应力高,根焊两侧焊根的残余应力大小未受两侧板厚的差异影响,数值均达到468 MPa,焊缝焊趾与焊根处残余应力均低于母材屈服强度。计算结果与试验结果吻合良好,证明了模型的可靠性和准确性。     

机械应变法测量TC4钛合金激光焊接残余应力

采用YAG激光对2mm厚TC4钛合金薄板进行焊接,尝试使用机械应变法对其残余应力进行测量,得到了在不同线能量作用下焊缝的外观变化及残余应力的分布规律,分析了激光焊接残余应力产生的原因。研究结果表明:机械应变法适于激光焊接残余应力的测量,其残余应力的分布跟普通熔焊相似,但拉应力区明显变窄;线能量为70 kJ/m时,TC4钛合金对接接头纵向残余拉应力峰值为604.76 MPa,约为母材屈服强度的2/3,工程应用中应加以重视;线能量越大,其焊缝越宽,残余拉应力区域越宽,且峰值残余应力越大。     

基于计算机模拟的钛合金线性摩擦焊接焊缝内部残余应力分析

基于轮廓法测量通过线性摩擦焊接的TC17钛合金接头内部残余应力是一个能够获得接头内部应力状况的全新破坏性技术。首先将试样切成两半;然后测量由于残余应力的释放而引起的平面轮廓的位移;最后将切面的测量轮廓作为边界条件,用线弹性有限元计算垂直于切割平面的残余应力。对TC17钛合金线性摩擦焊接接头的内部应力分布进行分析。结果表明,TC17线性摩擦焊接焊缝的拉伸残余应力主要集中在距离焊缝中心12 mm的区域内;拉应力峰值处于焊缝中心,达到360 MPa(约为TC17合金屈服强度的1/3);应力在厚度方向的分布是不均匀的,并且内部的应力大于邻近的顶部和底部表面的应力。     

TC4薄板随焊旋转挤压工艺

薄板钛合金由于在焊后存在较大的残余压应力,使得其易发生失稳变形.采用随焊旋转挤压方式,对焊缝高温部位进行塑性延展,减少焊接时所发生的塑性收缩量,降低残余压应力的值,从而降低焊接变形量.采用拉伸试验、拉伸断口SEM分析和焊后薄板的变形挠度的测量等试验.结果表明,随焊旋转挤压焊件的变形挠度可以下降到常规焊件挠度的2/3,并且随着加载应力的增加,变形的挠度可以进一步下降.说明在焊接过程中采用随焊旋转挤压方式控制薄板TC4失稳变形是可行的.     

数值模拟和实验研究Ti6Al4V合金激光熔透焊接残余应力

采用热-弹塑性三维有限元法研究激光熔透焊接Ti6Al4V合金的残余应力,并采用小孔法测量焊接残余应力以和计算结果进行比较.有限元计算时,建立了以焊缝形貌尺寸为参数的统一锥形热源模型来模拟不同热输入时的焊接温度场,并讨论了边界条件和有限元网格大小的确定.研究结果表明:采用焊缝轮廓尺寸作为热源参数能准确模拟焊缝横截面轮廓;钛合金激光熔透焊接的纵向残余应力分布梯度陡;在焊件表面和内部残余应力分布趋势不同,采用小孔法测量的残余应力分布和计算的焊接件内部残余应力分布相似.     

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。     

液氮冷却对TC4钛合金激光焊接微观组织、残余应力与变形的影响

针对钛合金薄板激光焊接残余应力与焊接变形大的问题，提出了液氮冷却激光焊接方法，将液氮冷却氩气作为冷却介质作用于试件表面。开展了TC4钛合金锁底结构液氮冷却激光焊接实验，分析了不同冷却条件下TC4钛合金激光焊接接头的微观组织、残余应力与焊接变形。结果表明，相较于自然冷却的激光焊接接头，液氮冷却激光焊接接头热影响区宽度变窄，焊缝中部宽度增大63.7%，下熔宽增大70.5%，焊缝组织更为均匀，焊后变形显著减小，整体变形量降低约5.2%。这是由于液氮冷却熔池后方处于高温的金属急剧冷却，很大程度上补偿了已产生的压缩塑性应变，使得焊接变形减小。     

热处理保温时间对焊接残余应力影响的 模拟分析

为探究焊后热处理保温时间对焊后残余应力的影响规律,以余热排出系统中余热排出冷却器管板与环形支承板焊接组件作为研究对象,采用Sysweld建立焊接模型,对经历不同热处理工艺的管板与环形支承板对接焊缝的焊接残余应力进行模拟分析,同时将模拟计算应力值与盲孔法测试应力值进行比较,并通过模拟试验验证其力学性能。结果表明:管板与环形支承板对接焊缝在595℃进行消应力热处理,当保温时间达1.25 h时,对接焊缝的焊接残余应力已降至最低值。延长保温时间,焊接残余应力保持最低应力值不变,且模拟计算的应力值与实际测量的应力值水平相当。模拟试验结果证明了按不同标准执行热处理,其力学性能处于相同水平。     

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.