纯钛与AZ31B镁合金平板搭接TIG熔钎焊的数值模拟研究

摘要

选用轻质材料是实现结构轻量化的重要途径,以钛合金和镁合金为代表的轻合金材料由于比强度、综合力学性能、机械加工性能及回收利用等方面的优势,得到了广泛应用。国内外关于纯钛TA2和AZ31B镁合金异种材料焊接的研究报道较少,对两种材料TIG熔钎焊的焊接热过程和焊接应力与变形情况的数值模拟研究则更少。本文中,纯钛TA2和AZ31B镁合金通过TIG熔钎焊的方式实现异种材料的连接,以有限元数值模拟为主要研究方法,同时结合实验验证,详细分析了焊件的温度场特征、焊后残余应力和变形,以及不同焊接工艺参数所产生的影响。
　　①对比不同焊接热源模型作用下的温度场分布及热循环曲线的特征,提出双椭球热源模型更能准确地模拟TA2/AZ31B接头的温度场。由于两种材料的导热系数相差大,镁合金一侧等温线稀疏分布,而纯钛一侧等温线分布较密集;热影响区出现在焊缝与镁合金母材熔合的窄小边缘区域,与模拟结果中熔池边界位置一致,且由于镁合金能快速传热,热量不易累积,形成的热影响区域窄。
　　②增加电流或降低焊接速度都将提高焊接过程中的温度峰值,这归结为焊接线能量的增加,使得单位长度的焊缝获得更多热量输入;当线能量保持一定时,焊接电流增加对温度峰值升高起主导作用,焊接速度则对等温线分布起主导作用。
　　③由于TA2和AZ31B异种材料性能以及搭接结构的不对称性,焊接过程中的应力以及焊后残余应力分布十分复杂。焊接加热过程中应力值及变化幅度都较小,而在冷却阶段显著增大最终形成残余应力,纵向残余应力明显较横向残余应力以及厚度方向残余应力要高。最大纵向拉伸残余应力出现在焊缝两侧附近区域,残余应力在焊缝边缘以及厚度方向上两种材料连接界面处出现急剧变化,由拉伸应力状态变为压缩应力状态,较大残余应力出现位置与拉伸试验中断口位置一致。此外试件在焊后发生了角变形和横向收缩,纯钛一侧变形大于镁合金。焊接材料热物理性能和力学性能的差异对应力场分布以及变形有显著影响。
　　④不同尺寸焊件的焊后残余应力分布趋势和以及焊缝区域的压应力峰值是相近的。但随焊缝方向尺寸的增加,两侧母材的压应力增加,此外厚度方向的位移越大,弯曲变形越严重。焊接电流的增加,对纯钛一侧纵向残余应力的影响较镁合金一侧小,镁合金母材一侧拉伸残余应力峰值出现的位置略向左移动,峰值减小,分布范围有所扩大。在焊缝处的最大压应力由120.5MPa增加到135.3MPa。
　　⑤通过焊接工艺参数调整,最终接头强度能达到193.5MPa的良好效果。比较模拟结果与纵向残余应力测量值,在所测量的区域,两种方法得到的残余应力分布趋势与所测应力值相近,且变形趋势一致,本文中的应力计算模型对于残余应力和变形的计算是有效的,可以为焊接工艺参数的选择提供参考依据。