焊接顺序对某飞行器叉形结构焊接变形的影响.pdf

第37卷第8期
焊接学报
2 0 1 6+ F TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
ugust
2016
焊接顺序对某飞行器叉形结构焊接变形的影响
黄尊月,罗震,敖三三,董建涛
(1.天津大学材料科学与工程学院,天津300072;2.首都航天机械公司,北京100076
摘要:焊接变形影响了结构的承载能力和精密性,尤其对飞行器等精密结构将造成非常严重的后果.为了对某
钛合金飞行器义形结构的焊接变形进行精确测量从而达到控制焊接变形的目的,制作了简化的1:3饮合金模型,
根据不同测量方法的特点,对钛合金模型采用数值仿真计算对整体变形进行了模拟,采用数字图像相关技术对远
焊缝区域进行檢测,并采用三维扫描对工作臂变形角度测量等三种方法,对焊接变形进行测量分析,较于传统测
量,釆用模拟和试验测试相结合的方法能够紧密联系工程实际,更加全面准确,量化了焊接顺序对焊接变形的影
响,找到最佳焊接顺序方案
关键词:焊接变形;数值模拟;数字图像相关技术;一维扫描
中图分类号:T(404文献标识码:A文章编号:(0253-300X(2016)08-0031-04
0序
该结构的最佳焊接顺序.
在焊接过程中,不均匀的热输入导致焊接结构
有限元仿真模拟变形
的变形.不均匀的温度场,使结构各个部分热胀冷
缩不能同步.焊鏠处金属熔化、凝固的过程中会产1.1叉形零件的焊接工艺
生相变、膨胀和收缩等,体积会产生较大的变化,从
文中叉形零件如图1所示,其焊接位置位于管
而引起焊接结构的变形.影响焊接变形的因素有很与板的接缝处.在大板与工件臂的连接处,小板与
多,对于形状、材料和焊接参数确定的构件来说,焊工件臂的连接处均为焊缝,共24道,为不填丝角焊
接顺序是控制焊接变形量的关键,所以对于精密结缝.结构材料为TC4,制作实用结构的1:3的简化后
构而言,找到合理的焊接顺序是至关重要的.
模型,采用的是TG焊,由大量试验结果找到最佳焊
在焊接变形测量方面,各国学者都投入了大量接参数进行焊接
的时间和精力来研究焊接变形的测量方法.目前,测
量焊接变形的方法一般可以分为两大类:静态测量
大板
方法和动态测量方法.静态測量只能测得焊后变
小板工件臂
形,具有一定局限性.动态测量方法能够直观的显
现工件在焊接过程中实时变形的历程,有助于深入
了解焊接变形的机理.然而,由于焊接是一个复杂
的动态过程,采用常规的方法很难实现对整个工件
变形的动态测量.采用二.维扫描和数字图像相结合
的方法,相较于传统的測量方法,可以实现与工件非
接触并且精度高.通过对某飞行器叉形结构制作
图1简化后的叉形结构示意图
1:3的简化模型,采用有限元热-力耦合法对整体进
Fig. 1 Schematic of the simplifid fork structure
行模拟、使用非接触数字图像法对距焊缝区较远处
表面变形进行检测并且使用三维扫描法对工作臂的
由工程实际经验和大量试验,选择四种最常用
变形角度进行分析,全面测量焊接变形,同时确定了的典型焊接顺序,如图2所示,在四种典型的焊接顺
序中,箭头方向代表焊接方向;不带括号的阿拉伯数
收稿日期:2014-09-16
基金项目:国家自然科学基金资助项目(S79,5239):然字表示正画焊缝,括号里面表示背面焊缝;阿拉伯数
气涡轮航空发动机?片特种修复项日(2014FR3-000字表示焊缝的先后施焊顺序,比如1就代表第一道
焊接学报
第37卷
(4
1(3.)
2(8)
1(7
542
554
b卡
136
138
0.122
0.133
方案11(2
方案21(4)
方案1
方案2
(a)方案1和方案2焊接顺序
(a)方案1和方案2
1(7
3(1)
2(4)
b
412
乏b
278
130
0.125
方案31(4)
方案41(2)
方案3
方案4
(b)方案3和方案4焊接顺序
(b)方案3和方案4
图2焊接顺序方案示意图
图3焊接完成时的应力场
Fig 2 Schematic of welding sequence
Fig 3 Stress field at the moment of welding finished
焊缝,2代表第二道焊缝,括号里面的3表示背面的为了更为直观地比较四种方案对工件变形的影响程
第三道焊缝,以此类推,按照图2中标明的数字和方度,同时由于近焊缝的高温强光在试验中不易测量,
表工件特与小板的焊接(选取其一表示,实为同时焊件上的位置,如图4所示(距离工件臂2m2·在焊
向,上半部分代表大板与工件臂的焊接,下半部分代因此均在大板近焊缝处抽取同一点进行计算
接),完成整个工件的焊接.
有限元模型的建立
采用有限元软件 ANSYS,基于热物理方程,通
过热一力耦合算法·对焊接过程中结构的变形进行
研究.对结构进行分区划分网格,焊缝区域密集,其
他区域稀疏,总节点个数为:131046个,单元个数
为:11480个.焊接热源采用高斯热源.初始温度
设置为20℃.采用热焓法处理相变潜热.材料的常
数见文献[4].热物性参数与温度密切相关,随温度
的变化而变化,900℃以上的物性参数由外推法获
图4大板近焊缝处观测点
得,见文献[5].热源模型等其余模拟参数见文
Fig 4 Observation point on the big board
献[6
1.3有限元模拟得到的焊接应力云图
比较四种方案的三维変形量如图5所示,可以
文中采用热一力耦合有限元算法,先计算焊接发现四种方案的变化趋势大致相同,取其最终的焊
过程中的温度场分布,将焊接加热和冷却过程的温接变形量进行定量比较,如表1所示,可以看到方案
度场读人,形成热载荷施加在模型上进行焊接热应四在xx=个方向的焊接变形量分别为0.57mm,
力计算,得到四种方案的等效应力图,如图3所示.0.21mm,0.47m均小丁共他三个方案
从四种方案焊后的工件整体的等效应力云图可
以看出,应力集中最大处,均在大板部分的媒缝附2数字图像技术实测焊接变形量
近,四种方案中近焊缝区域成力范围分别为:271
407MPa,275~413MPea,275~412MPa和278~417
数字图像相关技术是近些年发展迅速的非接触
MPa,焊件自身其有抵抗朔性变形的能力,焊件应力测量方法之一,之前 Stryckerp等人验证了使用数
越大,则焊件变形越小,所以从控制焊接变形的角度字图像相关技术测量弧焊过程中变形的可行性.文
来说,方案四的焊接顺序是最为合理的.
中首次将数字图像技术应用到钛合金TG焊接中