激冷影响TC4钛合金FSW残余应力与变形的规律

以2 mm厚TC4钛合金板材作为研究对象,基于ABAQUS模拟软件对空冷和激冷条件下钛合金搅拌摩擦焊的温度场和失稳变形进行了研究,并对模拟结果进行了实验验证。结果表明：焊接过程中的温度场均为椭圆形分布,在垂直于焊缝方向残余应力均为双峰型分布。与空冷条件相比,激冷可减小焊接过程中温度峰值与高温分布范围;焊件表面拉应力的降低程度远大于焊件底部拉应力的降低程度。当激冷温度与距离分别是-30 ℃与20 mm时,激冷条件下焊件马鞍形相当于空冷条件下变形量的72.2%。     

6061铝合金薄板焊接应力与焊接变形

研究了6061铝合金薄板TIG焊焊接应力、焊接变形与焊接电流、焊接电压和板材尺寸的关系.随着焊接线能量的增加,铝合金的纵向和横向收缩变形增加;随着板的长度的增加,由于约束增加,板的纵向残余变形减少,厚度方向的抗弯增大,横向变形增大.板焊后,焊缝处受拉应力,而紧靠焊缝的母材处却受压应力,其余部分受拉应力且焊接线能量越大,残余应力越大.     

外部拘束条件下Q345钢单道堆焊接头面外变形机理的探讨

采用数值模拟和试验手段相结合的方法研究外部拘束对低合金高强钢Q345单道堆焊接头面外变形影响的机理。基于有限元软件ABAQUS平台,开发同时考虑材料非线性、几何非线性与接触非线性的热-弹-塑性有限元算法来模拟板厚为2 mm和4 mm的低合金高强钢薄板单道堆焊的温度场、残余应力和焊接变形。同时,采用试验方法测量了薄板接头的面外变形。通过比较试验结果和模拟结果,验证了所开发的有限元计算方法的有效性。分析自由状态和外加约束条件下接头的面外变形模式;比较中央截面平均压应力和其临界失稳应力的数值;研究不同拘束位置对纵向塑性应变和横向塑性应变分布的影响。结果表明,在薄板发生失稳变形时,外加拘束对面外变形的控制作用不明显;而在薄板未发生失稳变形时,外部拘束能够明显减小面外变形。     

焊接残余应力对矩形薄板非线性因素忽略条件的影响

以具有对接焊接残余应力的非线性矩形薄板为研究对象,根据非线性振动理论,研究得出了在薄板和薄板结构的设计和计算分析时,具有焊接残余应力矩形簿板非线性因素忽略的条件和矩形薄板非线性因素忽略的分界线;通过分析获得了矩形薄板的固有频率在一定的范围内,可以不考虑非线性因素;不考虑非线性因素的范围随残余应力的增大而增大;等值的增大残余应力,随残余应力增大不考虑非线性因素的区域的增大越来越快等结论。提出了在要求允许的前提下,通过提高构件残余应力增加不考虑非线性因素的固有频率范围的方法。     

超超临界HR6W钢TIG焊接残余应力和变形有限元预测

采用钨极氩弧焊接(TIG)方法对超超临界HR6W钢厚板进行对接焊接,采用数值模拟方法分析焊接过程温度场,预测焊缝残余应力和焊接变形分布.结果表明,随着焊接道次增多,焊接变形逐渐增大,焊接变形为典型的角变形,以焊接线为中心线,呈对称分布,最大变形不超过1mm;随着焊接道次的增加,焊缝平均拉应力和压应力均先增大,后减小;焊缝中部区域存在残余压应力,焊缝首端和末端区域存在残余拉应力.     

夹具拘束距离对Hastelloy C-276薄板脉冲激光焊接变形的影响

为了揭示夹具拘束距离对0.5mm厚Hastelloy C-276薄板脉冲激光焊接变形的影响,基于有限元软件ANSYS建立了三维热力耦合有限元模型。采用位移约束假设代替实际夹具的拘束作用,研究了夹具拘束距离对Hastelloy C-276薄板焊接纵向挠曲变形及横向收缩变形的影响规律。实验测量了焊接热循环曲线和残余变形,验证了所建立有限元模型的可靠性。模拟结果表明,随着夹具拘束距离从8mm增加到20mm,焊接纵向挠曲变形及横向收缩变形均表现为近似线性增大的趋势,特别是焊接横向收缩变形增加了将近3.6倍,而减小夹具拘束距离可以控制焊接残余变形。该模型较准确地模拟了薄板脉冲激光焊接温度场及残余变形,为抑制薄板焊接变形提供了理论和实验依据。     

纵向预置应力法控制薄板焊接残余应力与变形

针对高强铝合金薄板结构焊接时存在的焊后残余应力及变形大的缺点,采用施加一不大于材料屈服强度σs的纵向预置拉应力的方法降低其残余应力与变形,对此平板对接焊的残余应力与变形进行了数值模拟.结果表明:该方法可以改善残余应力的分布状态,显著降低焊后残余应力的峰值,预置应力越大,残余应力越低;从而减小了焊接件的变形;随着预应力的增加变形相应减小,0.5σs和0.7σs的预置应力下的最大变形挠度由常规焊的38 mm分别降至18 mm和7 mm,降至原来变形的17%左右;试验结果验证了模拟结果的准确性.     

超薄板焊后波浪变形的形成原因及控制方法探讨

针对超薄板焊后面外失稳变形的机理以及矫正的研究目前仍较少。以厚度为0.07 mm的不锈钢金属箔为研究对象,建立基于壳单元的有限元计算模型,采用热-力顺序耦合的方法针对激光焊中出现的波浪变形现象进行数值模拟。波形分布的数值模拟结果与实测基本吻合。分析认为在整个焊缝长度上的焊接应力会在焊接过程中自身平衡,拉伸应力区外会有压应力来平衡,从而产生间隔分布的局部压应力区导致波浪变形出现。发现采用0.15%的预拉伸方法可以大大减少薄板的面外失稳变形量,其主要原因是焊后焊缝中的塑性应变发生了由压缩向拉伸应变的转变。采用滚轴碾压可以矫正焊缝处的波浪变形,随焊碾压可以使超薄板焊后整体面外变形幅度降低,由原来的0.46 mm下降至0.25 mm,直径72 mm滚轴碾压后焊缝处波浪变形高度差被基本控制在0.002 mm之内,接近平直。研究结果对提高超薄板结构的焊接质量具有积极的参考价值。     

熔敷顺序和管壁厚度对异种钢管板接头焊接残余应力与变形的影响

异种钢焊接接头广泛应用于机械、化工、电力和交通等领域的装备制造中,由于异种钢接头的材料不同,焊接过程中产生的残余应力分布十分复杂,但关于异种钢焊接接头残余应力的研究还很不充分。以SYSWELD有限元软件为平台,开发用于模拟异种钢焊接接头残余应力与变形的热-弹-塑性有限元计算方法。基于此方法,以异种钢管-板焊接接头为对象,研究不同熔敷顺序和管壁厚度对接头焊接残余应力与变形的影响。在数值模拟过程中,针对不同类型的材料采用不同的本构模型来模拟材料的力学行为。采用接触式三维坐标测量仪测量焊接接头特征位置的变形量,验证有限元计算方法的有效性。研究结果表明,管板接头的残余应力分布受熔敷顺序的影响十分显著,变形分布形态也在一定程度上受到了熔敷顺序的影响。随着管壁厚度的增加,圆管径向变形量反而减小,周向残余应力的峰值有所增加,同时圆管与焊缝异材界面处的周向残余应力梯度也明显增大。开发的数值模拟方法将是预测异种钢焊接接头残余应力与变形的有力工具,模拟结果将为焊接结构的健全性评价供理论支撑。     

垫板导热能力对钛合金薄板焊接残余应力的影响

针对钛合金TC4薄板钨极氩弧焊(GTAW)分别在试件背面衬以铜垫板与覆盖石棉的垫板两种情况下所焊的对接试件,采用切条应力释放法测量了其中纵向残余应力和纵向残余塑性应变的分布,比较研究了不同导热能力的垫板对钛合金薄板焊接残余应力及纵向残余塑性应变的影响。测量结果表明:钛合金GTAW焊接过程中垫板不仅提供了对焊缝背面的保护,也影响了焊接纵向残余应力与纵向残余塑性应变的分布与大小。不同导热能力的垫板控制应力与变形的效果不同。铜垫板控制应力与变形的效果好于覆盖石棉的垫板。     

钛合金TB6铣削表面残余应力研究

钛合金TB6铣削加工表面残余应力对其使用性能可产生较大影响。试验研究了铣削参数,干铣削、冷铣削,刀具磨损等对表面残余应力的影响规律以及残余应力深度分析。结果表明,铣削速度和进给量对残余压应力影响明显,铣削深度对残余压应力影响小;干铣削表面表现为残余拉应力,残余拉应力随速度增大而增大,冷铣削表面表现为残余压应力,残余压应力随速度增大而减小;刀具磨损量对表面残余应力会产生较大的影响,随着刀具磨损量的增加,残余压应力逐渐增大;冷铣削导致的残余应力深度为20～30μm,干铣削导致的残余应力深度为30～40μm,刀具磨损量VB=0.18mm时铣削导致的残余应力深度50μm,最大残余应力值均出现在表面或者表面以下10μm内,残余应力沿深度方向分布大致呈"勺"型。研究结果对钛合金TB6铣削加工表面残余应力控制具有实用价值。     

核电蒸汽发生器传热管/管板接头传热管内壁的焊接残余应力分布

采用自行搭建的管道内壁残余应力测试平台,通过切割法测得核电蒸汽发生器传热管/管板接头传热管内壁的焊接残余应力,结合有限元模拟,研究了传热管内壁焊接残余应力的分布规律。结果表明:试验测得传热管/管板接头中传热管内壁近焊缝处的轴向和周向残余应力均为拉应力,随着距焊缝中心线距离的增加,残余拉应力减小并变为压应力,在距离焊缝中心线12mm处,残余压应力最大,在距离焊缝中心线21mm处残余应力减小至焊前初始应力;传热管内壁焊接残余应力分布的模拟结果和试验结果基本吻合,该有限元模型可以准确模拟核电蒸汽发生器传热管/管板接头传热管内壁焊接残余应力的分布规律。     

热沉位置对钛合金薄板焊接残余应力的影响

采用切条应力释放法测量钛合金TC4薄板对接试件选用不同的热沉位置分别进行动态控制低应力无变形(DC-LSND，dynamically controlled low stress no-distortion)钨极氩弧焊(TIG)时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，热源与热沉之间的距离是重要的工艺参数之一，该参数对焊接应力和变形的控制效果有很大影响，适当的热沉位置是动态控制低应力无变形钨极氩弧焊实现低应力无变形焊接效果的一个必要条件。热源与热沉之间的高温金属处于力学熔化状态、无力学抗力时，热源与热沉之间距离的增加有助于降低焊接残余应力，减小纵向塑性变形。在所选用的焊接条件下，动态控制低应力无变形钨极氩弧焊焊接时热源与热沉相距30mm，近缝区的不协调应变较小，控制焊接应力与变形的效果较好。     

后装压缩车侧板和导轨焊接变形工艺研究

分析了后装压缩车侧板上焊接导轨面板变形的原因,建立了薄板焊接失稳变形的数学模型。通过薄板焊接变形失稳原理,降低了相关系数,减少了发热量。采用了合理的焊接方法,改进了焊接工艺,优化了后装压缩车侧板面板焊接时的焊接参数、焊接条件。采用了2∶8配比混合保护气体,改用小直径焊丝,降低电压、电流,提高焊接速度以及合理分布焊缝位置的焊接方案,采用了合理的反变形措施和正确的残余应力释放方法,有效地减小了车厢侧面板的焊接变形量,得出了几种影响薄板焊接的工艺条件。对SPA-H耐候板焊接工艺优化进行了研究,有效地控制了后装压缩车侧板与导轨焊接时面板外侧的焊接变形,可以进一步为薄板焊接变形的控制提供很好的理论控制方法和依据。     

TC4钛合金焊接过程温度场分析与受力模拟

焊接过程中由于温度场作用,导致工件内部存在残余应力,从而使工件产生变形,加工精度受到影响。本文对焊接温度传导过程以及受力情况进行分析,总结了影响焊接质量的相关因素,并以TC4钛合金为例,对其在进行激光—MIG焊接时的温度场变化及应力变化进行数值模拟,为分析焊接时失稳变形以及变形控制方法的研究提供理论参考。     

TC4钛合金磁控窄间隙TIG焊试板热处理前后三维应力

针对100 mm和31 mm厚TC4钛合金磁控窄间隙非熔化极惰性气体保护焊(Tungsten inert gas, TIG)试板,采用压痕应变法测量表面残余应力分布,采用全释放应变法测量厚度方向的三维残余应力分布。结果表明,两种厚度试板的焊接残余应力数值有所不同:100 mm厚试板表面纵向和横向残余应力峰值高达600～700 MPa,接近材料屈服强度的70%～80%;31 mm厚试板表面纵向和横向残余应力峰值较低,仅达到材料屈服强度的40%～50%。两种厚度残余应力差异较大的原因主要由较大厚度下横向收缩的累积效应造成。经过650℃的焊后真空热处理,两种厚度的焊接试板纵向和横向应力均显著降低,应力降低幅度最高超过50%,剩余残余应力峰值均不超过200 MPa,焊缝处沿厚度方向分布的各向残余应力均接近零值,表面残余应力出现了重新分布。     

随焊氩气激冷控制铝/钢薄板残余应力与变形研究

针对铝/钢异种金属薄板焊接时容易产生残余应力与变形问题,提出采用随焊冷却氩气激冷对其进行控制。建立随焊氩气冷却激冷铝/钢异种金属熔钎焊的数值分析模型,研究不同冷却距离对残余应力和变形的控制效果,探究随焊激冷技术控制焊接变形与残余应力机理;同时,进行随焊激冷铝/钢异种金属熔钎焊试验,对焊接温度场、残余应力与变形进行测量,验证模型的准确性。结果表明,采用最优冷却距离(d=10mm),进行随焊冷却氩气激冷焊接试验时,纵向残余拉应力峰值和残余压应力峰值分别减小42.1%和74.4%,横向残余拉应力峰值和残余压应力峰值分别降低11.3%和14.4%,铝板和钢板外边缘焊接变形量分别减小67.9%和69.5%。随焊冷却氩气激冷技术可有效控制铝/钢薄板焊接时产生的残余应力与变形。     

压路机压轮焊接变形和残余应力的有限元模拟

基于热弹塑性理论,借助有限元分析方法,建立了压路机压轮的有限元模型,模拟了压轮焊后的变形和残余应力分布;采用盲孔法测试了压轮的残余应力,并与模拟结果进行了对比。结果表明:两封口板发生焊后变形呈外凸状,最大变形量为5.732mm;压轮焊后起收弧位置和焊缝位置的残余应力大,应力峰值为416.40 MPa;随着距卷圆板自由边距离的增大,卷圆板直焊缝中心位置的残余应力先增大后减小再增大,残余应力测试值与模拟值较吻合,证明了模拟结果的准确性。     

振动时效效果评定的参数曲线观察法的理论说明

以具有对接焊接残余应力的非线性矩形薄板为研究对象,根据非线性振动理论,研究了焊接残余应力对非线性构件固有频率和幅值的极大值的影响;对振动时效效果评定的参数曲线观察法进行了理论说明;得出了非线性矩形薄板的稳态响应振幅的极大值和固有频率随残余应力的变化为非线性变化关系;幅值的极大值随残余应力减少而增加;固有频率随残余应力减少而减小等结论。     

焊接顺序对横向止挡焊接残余应力及变形的影响

采用数值模拟及试验手段相结合的方式研究焊接顺序对横向焊接止挡焊接残余应力及焊接变形情况的影响。基于Sysweld软件平台,对横向止挡焊接温度场及应力应变情况进行计算,并设置两种定位焊顺序及两种组焊顺序,通过排列组合方式得出四种焊接方案。通过数值模拟及试验对比发现,对于应力情况,定位焊接顺序对焊接残余应力的分布影响很小,而组焊接的焊接顺序对横向止挡最大残余应力的影响起主要作用。从变形情况来看,横向止挡X、Z方向的变形量最大,变形量1.2 mm左右,横向止挡Y方向的变形最小,变形量0.5 mm左右。采用方案四的焊接方法能够有效控制焊接残余应力及焊接变形。