钛合金焊接过程应力应变特点分析
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钛合金
第31卷第3期2010年3月
焊 接 学 报
TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION
Vol.31 No.3March 2010
钛合金焊接过程应力应变特点分析
李 菊, 关 桥, 史耀武
2.北京工业大学材料学院,北京 100022)
摘 要:采用有限元分析和试验测试相结合的方法对钛合金薄板钨极氩弧焊的焊接应力应变进行分析.结果表明,在焊接不均匀加热和冷却的综合过程中,熔池金属是在周边已经产生了压缩塑性应变的框架内熔化,并在已经发生了压缩塑性应变的近缝区框架内冷却.焊缝冷却过程中,在“力学熔化”区间,有拉伸塑性应变的卸载过程,但残余状态仍保留了压缩塑性应变.焊缝在冷却、凝固降温过程中,其纵向拉应力的峰值始终低于材料在相应温度下的屈服强度,直至残余状态.关键词:钛合金;焊接;应力;应变
中图分类号:TG404 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2010)03-0053-05
1
1
2
(1.北京航空制造工程研究所,北京 100024;
菊
0 序 言
20世纪50~60年代,对钛合金TC4薄板钨极氩弧焊对接进行了分
析.试验所用试件焊后尺寸为320mm×300mm×2.5mm.焊接电流200A,电弧电压11.9V,焊接速
.(如
F22)上,40%.因此,、变形及强度问题始终是航宇制造工程中要不断解决的现实课题.
[1]
关桥在20世纪60年代初进行的系统研究和试验测试的基础上,指出钛合金焊缝中的残余应力峰值仅为材料屈服强度的60%~70%;当时,还没有有限元方法,只是用解析求解的方法,分析了最简单的算例———氩弧点焊的热弹塑性应力应变过程,
[2]
给出了半定量的结果.随后,引入了“内拘束度”
[3-5]
的概念,用以表征材料特性对焊接过程应力应变形成的影响,并论证了残余应力峰值与内拘束度的关系.但对于移动热源焊接钛合金时的应力应变过程特殊性的定量求解,解析方法无能为力;只是在有限元计算方法和计算技术充分发展后,数值求解复杂的焊接力学问题才成为现实.时隔四十年,李菊采用数值模拟方法,从定量计算方面深入探讨了钛合金焊接热弹塑性应力应变过程的特点;既有与钢材相似的普遍规律,又定量地给出了钛合金焊接应力应变形成的不同特点.文中是对这一研究过程及结果进行详细的介绍与讨论.
[6-8]
度12m/h.焊接热源有效利用率67%,焊接过程中试件背面有铜垫板.测量了试件上距焊缝中心不同距离点的温度循环,对试件上残余应力、残余塑性应变的分布也进行了试验测量.为了能深入并定量地研究钛合金焊接应力应变过程的规律性和特殊性,建立了三维热弹塑性有限元模型.考虑结构的
[6-8]
对称性,取其一半进行数值模拟,有限元网格如图1所示.
[6]
[9]
图1 有限元网格
Fig11 MeshofFEA
TC4钛合金的材料参数由文献[10]获得,屈服
收稿日期:2008-10-06
基金项目:航空基金资助项目(05H25014)
强度、弹性模量等力学性能参数均随温度的变化而变化.焊接全过程按热弹塑性理论计算,屈服准则
钛合金
54焊 接 学 报第31卷
采用VonMises屈服准则,塑性区符合流动法则,同
时假设材料为各向同性,不考虑粘性和蠕变的影响.冷却过程是在其周边y=8和10mm等仍存在有压缩塑性应变的框架内完成.2.2 焊缝中心线上点的应变历史
2 数值模拟结果与讨论
2.1 垂直于焊缝中心线不同距离各点的应变
研究垂直于焊缝中心线不同距离各点的塑性应变发展,可以给出焊缝、近缝区及远离焊缝等典型部
[6]
位的应变演变历程.焊缝半宽为5mm,取试件中部x=160mm截面上距焊缝中心线分别为0,4,8,10和12mm的各点进行分析,既包含了焊缝又包括了近缝区.
p
图2给出这些点的纵向塑性应变εx发展过程,考察在此横截面上熔池形成前后一段时间内各点的应变行为
.
图3所示为焊缝中心线上y=0mm点在焊接过程中温度(T)及应变随时间发展过程,其中图3a
ep
为纵向弹性应变εx和塑性应变εx随时间发展过程,图3b为该点的纵向应力应变循环曲线
.
图2 距焊缝中心线不同距离点的纵向塑性应变
Fig12 Longitudinalplasticstraincyclesofpointsatvari2
ousdistancesfromweldcenterline
图3 焊缝中心线上点的纵向应变及其纵向应力应变循环曲线
Fig13 Longitudinalstrainhistoriesandstress2straincircle
inweldcenterline
由图2可以看到,无论是焊缝中心线上y=0mm的点、焊缝中y=4mm的点还是近缝区y=8mm,y=10mm的点,在焊接过程中均产生了压缩塑
性应变;y=12mm的点没有塑性应变产生,说明距焊缝中心线12mm以外的区域为弹性区.由此可以划分,在距焊缝中心线12mm以内的区域,在焊接过程中有塑性应变产生;距焊缝中心线12mm以外的区域则没有塑性应变产生.观察距焊缝中心线12mm以内区域的应变曲线,y=0,4和8mm的应变
焊缝中心y=0mm的点,在加热阶段(线段A,
B),随着电弧的临近迅速升温,膨胀受压,产生受压弹性应变和压缩塑性应变;电弧到来(线段C),金属熔化,形成熔池,熔融金属失去力学抗力,应力为0.由于有限元分析中设定了一个可以收敛的小值,因而熔池中金属应力由熔化前的压应力迅速减小并达到这个接近0的小值,近似反映了熔融金属的状态.这在图3a中可以看出,受压弹性应变在对应热循环曲线上温度超过熔点的时间段C内为一个约等于0的小值.虽然熔融的金属自身为无应力状态,但由于熔池并不是孤立存在的,熔池内的金属是在已发生压缩塑性应变的近缝区的框架内熔化的,因而y=0mm的点在经历熔化这一阶段时仍受到
p
挤压,有压缩塑性应变(图3a虚线εx的C,图3b的C段).电弧经过熔池金属凝固形成焊缝,在随后的
曲线从升温到降温的转折、拐点在图中用圆圈标出;曲线上的拐点即为应变增量改变符号卸载过程的开始.由此看出,此三点冷却过程中有拉伸塑性应变生成;但在其各自的曲线上仍可以看出,其纵向残余塑性应变总量仍为负值.而在y=10mm上,不再出现拐点;这表明,在12mm>y>10mm的区域,只有压缩塑性应变,不再有拉伸塑性应变的卸载出现.综合分析可知,y=0和4mm焊缝中的点,其熔化、
钛合金
第3期李 菊,等:钛合金焊接过程应力应变特点分析
直至残余状态
.
55
降温过程中(线段D,E),焊缝冷却收缩受近缝区金
属的拉伸.钛合金TC4的“力学熔点”设定为800℃,因而温度升到800℃之后(线段B)和降至800℃之前(线段D)焊缝区处于“力学熔化”状态,该区域内的应力仍接近0值.在图3a中从熔点冷却至800℃的时间段D内,弹性应变仍为接近0的小值.正由于“力学熔化”状态的存在,使得受拉伸的焊缝金属在此时间段D内产生拉伸塑性应变,该拉伸塑性应变的产生部分抵消了已存在的压缩塑性应变,从而使焊缝内的不协调应变总量减小.在温度低于800℃后(线段E),力学抗力恢复,焊缝内产生拉伸弹性应变,而已形成的压缩塑性应变不再发生变化
p
(图3a中虚线εx的平直段E).随着冷却过程的进
e行,弹性拉应变逐渐增大(图3a实线εx的E段,图3b的E段).拉应变增大的速度随着冷却的进行
逐渐减慢,直至室温,形成残余拉应力.
由此可见,在冷却阶段(线段D,E),熔池凝固
p
而收缩,产生了拉伸塑性卸载应变(图3a虚线εx的D段);当焊缝温度降至“力学熔点”以后,焊缝中仍
p
保留下来的压缩塑性应变(图3a虚线εx的E和较小的拉伸弹性卸载应变(图3ax的图3bE段);(图2,y=8和10)形成;,纵向总应变仍保持为压缩塑性应变.
图3a直观地显示了在y=0mm焊缝中心轴线上,温度曲线T随时间的变化(热循环),压缩塑性
pe
应变εx的发展如虚线所示,拉伸弹性应变εx如实线所示.图中阴影部分为上述两曲线相叠加之和,即为纵向总应变的发展过程.可以发现,直至残余状态,焊缝中心线上点的纵向总应变仍保留了少量
epεε的压缩塑性应变(ε.0012).x=x+x=-0
在图4a上能更直观地看到,随着焊接升温(曲线T)跨越“力学熔化”和熔池,遵循连续介质力学原理,在y=0mm焊缝中心轴线上产生了压缩塑性应变,如虚线上0-1线段所示.在熔池凝固和连续降温至800℃的过程中,所累积的拉伸塑性应变如虚线上1-2线段所示.在随后的冷却过程中,拉伸塑性应变值保持不变,如虚线上2-3线段所示.图4a中阴影区I为拉伸塑性应变随时间发展的历史.与此同时,在800℃以下的降温过程中,伴随着材料力学抗力的逐渐恢复,拉伸弹性应变生成,直至
e
室温的残余状态,如图4a上实线εx所示.正如图4a中虚线ε区使压缩塑性应变的总x所示,虽然I
量有所减低,但纵向塑性应变的总量仍保留了负值,
p
e
图4 纵向应变过程及纵向应力应变循环曲线
Fig14 Longitudinalstresshistoriesandlongitudinalstress2
straincycle
图4b为在y=0mm焊缝中心轴线上,遵循连续介质力学原理的纵向应力应变循环曲线,如实线A→B→C→D→E所示.线段E相应于在800℃以下的降温过程中的应力应变关系曲线.伴随着材料力学抗力逐渐恢复而产生的拉伸弹性应变与压缩塑性应变总量之和,在残余状态仍保留了负值(在零应变纵坐标的左侧-0.0012处,与图3a相对应).若将“力学熔化”区和熔池从连续介质中割裂开来,以为“焊缝经熔化,应力应变完全消失后又重
[11,12]
新开始产生焊缝应力应变”,这无异于抛弃连续介质力学原理,将图4a上的曲线0123位移至01′2′3′,I区错位到I′区;同样,在图4b上则是将压缩
塑性应变与拉伸弹性应变总量之和的实线线段D和E用虚线线段D′和E′所取代,阴影区错位到了零应变纵坐标线的右侧.这就是“焊缝不存在压缩塑性应变”和“焊接残余应力不是压缩塑性应变引起”的症结所在.2.3 讨 论
上述有限元计算结果与试验测试数据进行了对比,其中包括热循环曲线、残余不协调应变的分布以
[6]
及残余应力等.数值计算与试验数据相互验证,验证了数值模拟正确地反映了实际物理过程.在钛
[11,12]
钛合金
56焊 接 学 报第31卷
合金焊接所获得的系统研究结果与在钢材上的普遍
[13-15]
规律有其共性的一面;所不同的是钛合金焊接的纵向塑性应变(压缩或拉伸)的总量都较小.当引入“内拘束度”的概念以表征材料力学特性、热物理特性对形成焊接应力应变过程的影响时,“内拘束度”被定义为I=σ/αET,其中,σ为在被考察点的实际应力值;αET为在被考察点的温度应变受到完全刚性拘束时的热应力值.点状加热(氩弧点焊)时的内拘束度I=1/2,焊点中的残余应力峰值则为αETk/2;其中,α为线膨胀系数,E为弹性模量,Tk为材料失去力学抗力的“力学熔化”温度.理论分析表明,当移动热源的焊速增大时,“内拘束度”的变化在1/2≤I≤1之间.以“极限塑变
αTk/ε比”s(0)作为材料特性对焊接应力应变影响的因子,其中,εs(0)为材料在室温下的屈服应变值,则低碳钢的因子为6,钛合金的因子仅为1.2.可见,钛合金与钢材焊接应力应变形成时,既有其共性,又有其各自的特性.
如果在低碳钢上焊接残余应力峰值相当于材料在室温的屈服强度,那么,对于钛合金而言,[1]
室温屈服强度的60%~6]
图5所示为在y=0mmT而变化的瞬态纵向拉伸
[3-5]
拉应力的峰值仅为材料屈服强度的60%~70%,这一特点也得到了数值计算的证实.
(2)熔池内的金属是在已发生压缩塑性应变的近缝区的框架内熔化的;凝固和冷却过程亦是如此,虽产生了拉伸塑性卸载应变,但焊缝中仍保留下来压缩塑性应变和较小的拉伸弹性卸载应变,它们均是在两侧已发生了压缩塑性应变的连续介质框架内形成,直至残余状态,纵向总应变仍保持为压缩塑性应变.参考文献:
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σx,RELandtemperaturehistoriesatweldcenterlineFig15
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学报,2008,29(6):73-76.
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钛合金
60焊 接 学 报第31卷
更好的焊接顺序以前,应采用顺序依次焊接的方法
来代替180°焊接排列顺序.
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4 结 论
(1)采用Hypermesh平面修补技术和网格重划
分技术完成了整体叶盘有限元建模,保证了计算精度,节约了计算时间.
(2)在三种典型焊接顺序对圆度影响的有限元分析中,顺时针依次顺序焊接时的圆度为0.09%,90°排列和180°排接所得整体叶盘圆度的结果分别为0.107%和0.108%.顺时针依次焊接对圆度的影响相对较小.参考文献:
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主要从事数值
Email:
jackeee90@
[上接第56页]
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FangHongyuan,ZhangXueqiu,YangJianguo,etal.Calcula2tionanddiscussionofweldingplasticstrain[J].TransactionsoftheChinaWeldingInstitution,2008,29(7):60-63.
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理论及其应用[J].焊接学报,2002,23(6):36-40.
WangJianhua,LuHao,WeiLiangwu.Predictionofweldingdis2tortionsbasedontheoryofinherentstrainbyFEManditsapplica2tion[J].TransactionsoftheChinaWeldingInstitution,2002,23(6):36-40.
作者简介:李 菊,女,1970年出生,博士,高级工程师.
事焊接应力与变形的控制研究工作.发表论文10余篇.
主要从
Email:
lijuxin@
钛合金
2010,Vol.31,No.3 TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION
University,Xiπan710049,China).p37-40
Abstract:Anumericalcalculationmodelwithlocalrefinedmeshforlaserdeeppenetrationweldingoftitaniumalloyispres2ented.ARotatry2Gaussbodyheatsourcemodelwasestablishedtoaccuratelydescribetheshapeofkeyholeandmoltenpoolofthelaserweldedjoint.Theprofileofkeyholeandmoltenpoolaswellasthedistributionofhighgradientresidualstresseareobtained.Itisshowedthattheregionofhighstresslocatesinthekeyholeregion,andhighgradientresidualstressdistributesintheotherregionofweldedseam.Thestressegradientincreasesinthestateofexcessivelyhighandlowlevelofenergydensityaswellasthestateoflowerlinearenergy.Itissupposedthatkeepingthelaserenergydensityinstateoflowandmediumlevelorkeepingthelinearenergyinstateoflowlevelcouldavoidthehighgradientstresses.
Keywords: highgradient;residualstresses;energyden2sity;linearenergy;keyhole
Researchonmeltingmetalbehaviorofultrasonic2tungsteninertgaswelding SUNQingjie,YANGChunli,LINSan2bao,FANYangyang(StateKeyLaboratoryofAdvancedWeldingProductionTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China).p41-44
Abstract: Themechanismofmeltingbehaviorofmetalunderultrasonic2tungsteninertgas(U2TIG)weldingied.TheresultsindicatethatU2TIGen2hancethearcforceandelectrmetalflowbehavior,ratioofdepthtothelicationrangeandimprovesprordinaryTIGwelding.Besides,themechanismofforceenhancingandpenetrationincreasingwerealsopresentedincombinationwithexperimentandtheoreti2calanalysis.
Keywords: ultrasonic2tungsteninertgaswelding;arcforce;arcshape;meltingbehavior
Effectofsprayparametersonmicrostructureofplasmasprayedwollastonitecoatings HUANGQing,WANGWeize,WANLei,XUANFuzhen(KeyLabofSafetyScienceofPressurizedSystem,MinistryofEducation,SchoolofMechanicalandPowerEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China).p45-48
Abstract: Wollastonitecoatingwaspreparedbyplasmasprayingatdifferentsprayingdistances,primarygasflowratesandplasmapower.Themicrostructureofthecoatinglagerwasexaminedbyscanningelectronmicroscope(SEM).Theresultsshowthatthethreesprayingparametersaffectthemicrostructureofwollastonitecoatingsgreatly.Flattendegreeofmoltenpowderdecreasedandthenumberofporesincreasedwiththeincrementofsprayingdistanceatlargerflowrateofprimarygas.However,flattendegreeofmoltenpowderfirstlyincreasedandthende2creasedwiththesprayingdistanceatthelowerflowrateofprima2rygas.Themicrostructureofcoatingsisdenserwithlargergasflowrate.Flattendegreeincreasedwithplasmapowerupto36kW.Furtherincreaseofplasmapowerresultsinmoreroundporesappearingincoatings.Effectofsprayparametersonthemicrostructureofwollastonitecoatingsmainlyresultedfromthe
Ⅲ
influenceonvelocityandtemperatureofthemoltendroplets.
Keywords: plasmaspraying;wollastonitecoating;spra2yingdistance;plasmapower;gasflowrateInfluenceoftransversealternativemagneticfieldonmicro2structureandpropertiesofplasmaarcsurfacinglayer LIUZhengjun,ZHAOQian,SONGXingkui,YANGYang(SchoolofMaterialScienceandEngineering,ShenyangUniver2sityofTechnology,Shenyang110870,China).p49-52Abstract: Intheresearchoftheinfluenceofalternativepulsedmagneticfieldonmicrostructureandpropertiesofnickel2basealloy,atransversealternativepulsedmagneticfieldhadbeenappliedtotheplasmaarcsurfacingweldingonlowcarbonsteel.Thehardness,wearresistanceandmicrostructureofsurfa2cinglayerwithdifferentpulsedmagneticfieldcurrents,dutycy2cleshavebeensystematicallyanalyzed.Theresultsindicatedthattransversealternativepulsedmagneticfieldcaneffectivelyim2provethecrystalshapeofplasmaarcsurfacinglayer,refinecrys2talgrain.Properpulsedmagneticfieldcurrent,dutycyclecanobtaintheoptimumeffectonelectrostirring,whichcanincreasetheamountofhardeningoverlaydeposit,con2trolthegrandimprovetheoverlay.
transversemagneticfield;mi2Investigationonweldingstressandstrainoftitaniumalloy LIJu1,GUANQiao1,SHIYaowu2(1.BeijingAeronauticalManufacturingTechnologyResearchInstitute,P.O.Box863,Beijing100024,China;2.SchoolofMaterialScienceandTech2nology,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,Chi2na).p53-56,60
Abstract: Theweldingstressandstrainwereinvestigatedusingthefiniteelementmethodcombinedwiththeexperiments.Theresearchresultsshowedthatthemetalinthemeltingpoolismeltedintheframeofareawithcompressiveplasticstrain,andcooleddownalsointheframeoftheareawithcompressiveplasticstrain.Thetensileplasticstrainisproducedintheweldwhenitisinthestateof‘mechanicalmelting’duringthecoolingprocess.Butintheresidualstate,thecompressiveplasticstrainstillremainsintheweld.Thepeakvalueoflongitudinaltensilestressintheweldoftitaniumalloyisalwayslowerthanitsyieldstrengthattheappropriatetemperatureduringthecoolingprocess,thissituationiskeptuntiltheresidualstate.
Keywords: titaniumalloy;welding;stress;strainFiniteelementanlysisofweldingsequenceimpactonblisk
1,31,2
roundness ZHANGXueqiu,YANGJianguo,LIUXue2
112
song,CHENXuhui,FANGHongyuan,QUShen(1.StateKeyLaboratoryofAdvancedWeldingProductionTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;2.She2nyangLimingAero2EngineGroupCorporation,Shenyang110043,China;3.BaosteelGroupCorporation,Shanghai201900,China).p57-60
Abstract: Thefiniteelementmodelofbliskismadebytheseveralsoftwaresandbasedonthedifferenttemperatureeffectsduringtheweldingprocess,threekindsoftypicalwelding
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- 合金
- 应力
- 应变
- 焊接
- 特点
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