随焊冲击旋转挤压控制TC4薄板失稳变形研究

摘要

TC4薄壁焊接结构，因其重量轻、比强度高，能明显提高产品的有效载荷系数，被大量用在飞机、火箭等航空航天飞行器等产品上。作为薄壁焊接结构因其焊接时的不均匀加热造成了不均匀挤压膨胀，因而在焊缝及其热影响区有很强的收缩能力，继而在焊缝及其热影响区有较高的纵向拉应力，相应的两侧较宽的区域承受压应力。因而薄壁焊接构件必然无一例外的产生马鞍形失稳变形。作为飞机、火箭等航空航天飞行器产品必须采取有效措施控制焊接变形，以满足产品的设计要求。
　　针对TC4薄板焊接件的失稳变形，本文提出随焊冲击旋转挤压的新工艺方法，即在焊接过程中，当焊缝及近缝区的钛合金尚处于屈服强度低、塑性较好的高温阶段时，采用冲击旋转挤压的方式，对发生压缩塑性变形的焊缝及近缝区施加一定的载荷，使得压缩塑性区能产生塑性延展，从而降低TC4薄板焊接件的纵向残余压应力，起到控制失稳变形的作用。
　　钛合金的屈服强度高、塑性延展变形难，所需外加载荷大，本文利用较短时间内动量的变化能够产生较大应力的特点，通过冲击旋转挤压杆的动量和冲量间的转换，满足了TC4薄板件的随焊塑性延展对外加载荷应力水平的要求。冲击旋转挤压系统采用压缩真空式机构，为了控制其工作时的旋转速度和冲击速率，采用了调压器，通过调节输入电压的方式来调整作为动力源的交流串激电动机的转速，从而控制冲击旋转挤压杆工作时的冲击、旋转速度。
　　冲击实验过程中冲击力的大小及其瞬态变化，通过自制的测力底座，进行瞬态数据采集。使用前先在电子万能材料试验机上进行应力应变关系标定，以确定冲击力和测力底座上电阻应变片应变数据之间的关系。基于能量守恒的原则对冲击过程TC4薄板件所受到的冲击力进行了求解，并采用有限元的方法分析了冲击杆对作用区域的应力。
　　不同的冲击速率会导致作用区域金属的力学性能不同，利用材料试验机和热力模拟机对不同变形速率、温度下TC4焊接件的力学性能进行测试。比较了Johnson-Cook模型中TC4屈服强度的计算值和焊接件在不同变形速率、温度下屈服强度的实验值，结果表明，Johnson-Cook模型能够较好的描述随焊冲击旋转挤压工艺条件下的TC4焊接件力学性能的变化。
　　采用有限元的方法，通过特征值分析计算屈曲载荷，确定了一定尺寸的薄板件的临界失稳应力。然后根据一维弹性方法，即残余压应力可近似地由焊缝及附近区域的纵向拉应力来确定，解析求解了TC4薄板焊接件临界失稳应力的数值，建立了评价TC4薄板焊接件力学失稳的条件。
　　建立焊接热源后跟随外加载荷的有限元模型，分析了外加载荷的加载力大小、加载距离对焊接过程中瞬态应力应变的影响。由于纵向应力是引起失稳变形的主要因素，所以仅对TC4薄板件的焊接过程中的纵向应力、纵向弹性变形和板厚方向的塑性变形进行了分析。结果说明，在加载位置一定的条件下，增大加载力有利于焊接纵向残余应力的降低；在塑性延展充分的条件下，由于加载后的冷却过程仍会产生内应力，所以随着加载距离的增加焊接纵向残余应力降低。
　　采用切条法测量了常规焊接件和外加载荷与焊接热源距离分别为25mm、50mm以及75mm的随焊冲击旋转挤压件的纵向残余应力，并测量了相应条件下的焊接变形。实验结果说明，在保证焊接质量的前提下，采用随焊冲击旋转挤压法，可以将TC4薄板焊接件（300mm×150mm×1mm）的失稳变形降低为原来变形的1/8，将焊接纵向残余应力降低为原来的1/3。

目录

随焊冲击旋转挤压控制TC4薄板失稳变形研究

CONTROL OF WAVE-LIKE DEFORMATION OF TC4 THIN PLATE WITH IMPACTING ROTATION COMPRESSION DURING WELDING

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1课题来源及选题意义

1.2焊接应力和变形理论研究现状

1.3焊接应力与变形的数值模拟研究进展

1.4焊接应力和变形的控制及研究现状

1.5 前人工作存在的不足

1.6 本课题的主要研究内容

第2章 随焊冲击旋转挤压装置及冲击测量

2.1引言

2.2 随焊冲击旋转挤压装置设计思想

2.3 随焊冲击旋转挤压装置

2.4 冲击头的设计

2.5 随焊冲击旋转挤压装置的冲击力的测量

2.6 焊接工装的设计

2.7 随焊冲击旋转挤压工艺过程

2.8 本章小结

第3章 冲击旋转挤压的力学行为研究

3.1 引言

3.2 冲击挤压过程的测量

3.3 冲击旋转挤压过程的分析

3.4 变形速率、温度对材料性能的影响

3.5 本章小结

第4章 随焊冲击旋转挤压控制TC4薄板失稳变形的机理分析

4.1 引言

4.2 TC4薄板焊接件的临界失稳应力的分析

4.2.1 薄板临界失稳应力的研究

4.2.2 TC4薄板失稳变形的临界失稳应力的有限元分析

4.3 TC4薄板的焊接应力和变形

4.3.1 有限元建模

4.3.2 焊接温度场的模拟

4.3.3 TC4薄板焊接过程有限元分析

4.4 随焊冲击旋转挤压控制TC4薄板失稳变形的有限元分析

4.4.1 加载距离对焊接残余应力的影响

4.4.2 加载力对焊接残余应力的影响

4.5 本章小结

第5章 随焊冲击旋转挤压对TC4薄板焊接接头性能的影响

5.1 引言

5.2 残余应力及变形的测量

5.3 金相分析

5.4 维氏硬度实验及结果分析

5.5 拉伸实验及断口分析

5.6 本章小结

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

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