焊接顺序对TA15钛合金壁板焊接变形的影响.pdf

髟论坛嘲u M 焊接变形的影响 董文超，陆善平 ( 中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家( 联合) 实验室，沈阳1 1 0 0 1 6 ) 【摘要】建立了T A l 5 钛合金壁板焊接有限元模型，利用热弹塑性有限元法分析了焊接顺序对壁板变形的影响。通 过对比焊缝截面宏观形貌和残余应力，建立了T I G 穿透焊焊接工艺的双椭球热源模型，进而模拟了5 种焊接顺序下 壁板变形情况。结果表明：按从一侧开始的顺序进行焊接时，下壁板中部边缘凸起，最大变形量为3 9 m m ；采用对称 施焊，可有效地控制壁板变形量。 关键词：壁板；T A l 5 钛合金；焊接顺序；焊接变形 D o I ：1 0 1 6 0 8 0 j i s s n l 6 7 1 8 3 3 x 2 0 1 7 0 4 0 4 2 董文超 副研究员。研究方向为焊接过程的 数值模拟。 T A l 5 钛合金由于具有较高的比 强度、优越的耐腐蚀性能等优点，越 来越多地应用于先进航空航天飞行 器关键构件的制造【1 。3 。由于薄壁部 件焊接时易发生变形，导致焊接钛合 金薄壁构件如壁板、进气道防护格栅 4 2 航空制造技术2 0 1 7 年第4 期 等时，焊接变形严重，影响构件尺寸 精度，给后续装配带来困难。因此， 如何有效地控制焊接变形，提高构件 制造的尺寸精度，一直是薄壁结构制 造的关键技术问题。目前，人们已经 开发了较多的方法来控制薄板的焊 接变形，如采用温差拉伸法【4 】、静态 或动态低应力无变形技术 5 - 6 焊后 热处理矫形技术f _ ”等，但上述方法增 加了制造成本，有的方法亦难以在现 场焊接时实现。 焊接顺序是影响薄壁构件焊接 变形的重要因素之一，优化焊接顺序 可有效控制焊接变形【8 】。本文针对 飞机用T A l 5 钛合金壁板薄壁件的焊 接，分析焊接顺序对薄壁件焊接变形 的影响。通过模拟与试验对比焊缝 截面形貌和焊接残余应力，建立T I G 穿透焊工艺的双椭球热源模型。基 于S Y S W E L D 软件，采用热弹塑性有 限元法模拟带筋壁板T I G 穿透焊焊 接过程，分析壁板焊接变形规律，研 究不同焊接顺序对壁板变形的影响。 试验 1 丁字形接头T I G 穿透焊焊接试验 丁字形接头T I G 穿透焊焊接试 验所用母材为T A l 5 钛合金，焊丝牌 号为T A 0 1 ( 西1 6 m m ) ，平板尺寸为 2 0 0 m m 2 0 0 m m 2 5 m m ，筋条尺寸 为2 0 0 r n m 1 0 m m 1 5 m m 。焊前， 对平板和筋条表面待焊区域进行了 仔细清洗，去除油污等杂质。焊接 时，将筋条插入预制工装槽中，将平 板置于其上后，在背部进行T I G 填丝 焊，焊接示意图如图1 所示。焊接工 艺参数如下：电流3 5 0 3 7 0 A ，电压 8 1 0 V ，焊速0 0 8 0 1 0 5 m m i n ，送丝 速度0 2 5 0 4 5 m m i n ，焊枪保护气体 流量1 0 L m i n 。 2 残余应力测试 采用压痕应变法测量丁字形接 头焊接试板的残余应力【9 。压痕应 变法采用电阻应变片作为测量敏感 元件。在待测构件表面测量点处粘 贴应变花，在应变花中心部位采用冲 万方数据 哟。n a s 。髑造与仿真 焊丝 T I G 焊枪 l 半板 图1丁字形接头焊接示意图 F i g 1 S c h e m a t i co fw e l d i n gT j o i n t 击加载制造压痕，通过应变仪记录压 痕外弹性区应变增量的变化，从而获 得对应于残余应力的真实弹性应变。 真实弹性应变的求解方法直接按标 定公式进行计算 i 0 1 。应变增量8 与弹性应变8 的关系为： s = A o + A l t + A 2 + A 3 3 ( 1 ) 式中，系数彳，由标定曲线确定。 最后，按H o o k e 定律即可计算出 沿应变片方向原始残余应力吸和吼： O - x2 南峥e z + p B ，J r q = 禹( 疋，+ 眠) “ 式中，E 为所i 见0 材料的弹性模量， 为所测材料的泊松比，s 。，和8 。，分别 为沿x 、Y 方向的弹性应变。 采用中国科学院金属研究所自 主开发的K J S 一3 P 型压痕应力测试 仪，按照G B T2 4 1 7 9 2 0 0 9 标准，对 焊接试板进行残余应力测试，检测用 应变片为B A l 2 0 1 B A ( 1 1 ) 一Z K Y 型双向应变花。粘贴应变片前，用丙 酮除去试板表面待测区域的油污。 应力测量时，将焊接试件倒置( 如图 1 ) 在工作台上，直接测量试板表面 焊接残余应力。残余应力测试位置 示意图如图2 所示。 图2 残余应力测量位置示意图 F i g 2 S c h e m a t i co fm e a s ur e dp o s i t i o n sf o r r e s i d u a ls t r e s s 有限元计算 1 壁板有限元模型 利用有限元软件S Y S W E L D 建 立壁板结构的焊接有限元模型，进行 温度场和应力变形的计算。图3 是 壁板结构模型的网格划分情况。7 根长桁按顺序焊接在底板蒙皮上， 长桁与蒙皮厚度分别为1 5 m m 和 2 5 m m 。由于在焊缝区域存在较大 的温度梯度和材料非线性，所以该区 域网格划分较密，而远离焊缝区域较 疏，这既保证了计算精度，也节省了 计算时间。模型中，单元由1 D 单元、 2 D 单元和3 D 实体单元组成。1 D 单 元用来设置焊接轨迹和参考线，其 中，焊接轨迹由4 个组定义，包括焊 接轨迹线、焊接开始节点、焊接结束 节点和焊接开始单元。相似地，焊接 参考线由一组与焊接轨迹线平行的 线单元组成，它们具有相同的线单元 长度和数量。2 D 单元用来划分所有 计算区域表面，以计算焊接过程中焊 接试板与周围环境的热交换。3 D 单 元用来计算壁板结构的焊接温度场 和应力应变场。热分析和力分析使 用相同的单元和节点，整个求解过程 分为3 步：首先，进行焊接热源模型 参数的拟合；然后，使用建立的热源 模型进行壁板结构焊接过程的热一 冶金过程分析；最后，将温度场计算 结果导人进行应力变形分析。T A l 5 钛合金的热力学性能与温度相关【l ”， 焊材的热力学性能与T A l 5 钛合金 相同，如图4 1 ”所示。 2 焊接热源模型 焊接热源模型对焊接温度场的 计算结果具有重要影响。研究”2 1 发 现，对于T I G 焊，双椭球体分布热源 模型较为合适，因此，本研究选用该 热源模型，图5 为模型示意图。作用 于焊件上的体积热源分为前、后两部 分。设半椭球体的半轴为( a f ，a ，b ， C ) ，前、后半椭球体能量分数分别是 鼻和Z ，且六+ Z = 2 ，则前、后半椭球体 内的热流分布g ，和q ，分别为： ，、 6 3 ( 力Q ) q ，L 工，j ，z ，一；= a f D c H V 丌 ，、 e x p ( - 等一菩一等) 。 “训z ) ：罂 唧睁雾乳 0 ( 4 式中，x 、Y 、z 为3 个坐标轴，Q 为热 输入功率： O = r U ( 5 ) 式中，呀为电弧的热效率；U 为焊接 电压；1 为焊接电流。 电弧的热效率通常定义为从电 弧中输入到焊件中的热量占电弧总 能量的比例。本研究中，r 值取为 图3 壁板结构计算模型和网格划分图 F i g 3 P a n e ls t r u c t u r ef i n i t ee l e m e n tm o d e l a n d m e s h 图4T A l5 钛合金基础物性 F i g 4 T h e r m a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fT A l5t i t a n i u ma l l o y 图5 双椭球焊接热源模型示意图 F i g 5 S c h e m a t i co fd o u b l ee l l i p s o i dh e a t s o u r c em o d e l 2 0 1 7 年第4 期航牵制造技术4 3 舳加鲫如O 万方数据 暂论坛嗽u M 5 0 1 2 ：J 。 3 热分析 在焊接温度场计算过程中，由焊 接电弧产生的热量在被焊工件内部 的传导可用非线性传热方程描述： p 。( 署) = 击B 署) +，、 茜G 篑) + 茜 署) 地 式中，k 、P 、c 。分别为T A l 5 钛合金材 料的热导率、密度和比热容，Q 。为热 源项。丁为温度，t 为时间。 焊接试板与外部环境之间的对 流q 。和辐射q ，分别为： q 。= - h 。( 正一功 ( 7 ) q ，= 一O - s 。0 l ( r + 2 7 3 ) 4 一( 瓦+ 2 7 3 ) 4 l ( 8 ) 式中，正和Z 分别是工件表面温度 和空气温度( 2 5 ) ，h 。是对流热交 换系数( 1 5 W K m 。2 ) ，0 是热辐射系 数( 0 8 ) ，O S B 是S t e f a n B o h z m a n n 常 数( 5 6 7 1 0 。8 J K 。4 m s 。1 ) 。 4 力学分析 采用与温度计算时相同的有限 元模型，同时将温度计算中得到的各 节点温度循环作为热载荷，求解整个 焊接过程中的位移、应变和应力。 焊接过程产生的总应变速率台 可以表示为： 宫= 宫e + 宣p + 考m + 言m ( 9 ) 式中，& ，岛，岛和气分别表示弹性 应变速率、塑性应变速率、相变塑性 和热应变速率。假设材料弹性应力 一应变关系符合各向同性H o o k e 定 律，塑性行为符合V o nM i s e s 准则，加 工硬化采用各向同性准则。 装夹条件设置在壁板结构件的 4 个角上，为刚性约束，如图6 所示。 焊接过程计算结束后，模拟一步装夹 释放过程。 结果与讨论 1 焊接热源模型的建立与验证 S Y S W E L D 软件提供了热源拟合 工具( H S F ) ，利用该工具可以较方便 4 4 航空制造技术2 0 1 7 年第4 期 地拟合热源模型参数。一般地，可根 据焊缝的截面形貌拟合式( 3 ) 和( 4 ) 中的热源模型参数。通过对焊接过 程的稳态模拟，反复调整上述热源模 型参数，直至模拟的焊缝熔池形貌与 实测的焊缝熔池形貌吻合较好为止。 取熔化区温度为钛合金液相线 温度1 6 5 0 0 C 。图7 显示了T I G 穿透 焊焊接接头的焊缝截面形貌和尺寸 的模拟结果与试验结果对比。可见， 模拟结果与试验结果吻合较好。此 时，双椭球焊接热源模型参数如表1 所示。 为了进一步验证焊接热源模型 的可靠性，采用该焊接热源模型，对 T I G 穿透焊丁字形接头的焊接过程 进行了非稳态求解，并对模拟获得的 残余应力与实测残余应力进行了对 比。图8 分别是焊接试板表面的纵 向和横向残余应力。随着远离焊缝 中心线，各节点的纵向残余应力先 图6 装夹条件设置 F i g 6C l a m p i n gc o n d i t i o n 增大而后逐渐减小，纵向残余应力逐 渐由拉应力转为压应力，在焊接热影 响区存在较高的纵向残余拉应力( 峰 值约3 5 0 M P a ) ；各节点的横向残余 应力逐渐由压应力变为拉应力，然后 逐渐趋向变为零，在焊接热影响区存 在较高的横向残余拉应力( 峰值约为 4 0 M P a ) 。从图中可见，模拟计算的 残余应力分布与实验测得的残余应 力分布规律基本一致，建立的焊接热 源模型较可靠。 2 壁板焊接变形分析 对于薄壁结构焊接，比较关心 薄板翘起量的大小，防止薄板发生 弯曲或扭曲变形。图9 是模拟常规 的顺序焊接( J 0 1 一J 0 2 一J 0 3 一J 0 4 一J 0 5 一 J 0 6 一J 0 7 ，从一侧开始依次顺序焊接) 后，壁板沿】，向( 垂直方向) 变形情 况