随焊冲击旋转挤压法控制TC4薄板失稳变形机理研究

摘要

钛合金薄壁焊接结构因比强度高，中温强度好，可有效提高结构的载荷系数等优点在航空、航天等工业部门得到了广泛的应用，但其焊接后存在较大的残余应力和失稳变形。本论文主要应用随焊冲击旋转挤压技术针对尺寸为200mm×100mm×1mm的TC4钛合金薄板 TIG焊接的残余应力演变行为和失稳变形控制进行研究。
　　首先研究了薄板失稳的条件，确定了薄板临界失稳压应力，之后对随焊冲击旋转挤压法控制 TC4薄板失稳变形进行了试验研究，最后分析了随焊冲击旋转挤压法控制TC4薄板失稳变形的机理。
　　利用有限元热屈曲分析，求得焊接薄板的临界失稳压应力，这种方法得到的临界失稳压应力值较直接施加压力得到的临界失稳压应力较小，表明钛合金薄壁焊接结构因焊接残余应力的存在而更易于发生失稳变形。利用Abaqus有限元软件模拟得到 TC4薄板常规 TIG焊接后失稳变形的挠度为14.35mm，而实际焊接的挠度平均为14mm。
　　对本文所用TC4薄板进行随焊冲击旋转挤压试验，确定最佳工艺参数为：电锤冲击电压180V，冲击旋转挤压位置取在焊枪后方75mm处左右，失稳变形控制在2mm以下。与焊后冲击旋转挤压法对比，发现焊后冲击旋转挤压法的失稳变形仅能控制在5mm左右。对随焊冲击旋转挤压试件进行拉伸、金相、断口、残余应力测量试验，结果表明随焊冲击旋转挤压试件的接头性能与常规试件的性能相比没有降低，而焊后两侧残余压应力得到了大幅降低，均不超过27MPa，焊缝中心的残余拉应力甚至转变为压应力。
　　随焊冲击旋转挤压法通过冲击旋转挤压产生的作用力与焊接热应力耦合使焊缝更容易发生塑性变形，而且由于冲击作用区域温度较高，材料的屈服强度大幅降低，两者相互影响，共同作用，起到了控制焊接残余应力和失稳变形的目的。利用有限元模拟的方法，确定了冲击作用区域的最佳温度区间位于卸载区内600～700℃的位置，在此温度区间内，冲击旋转挤压产生的作用力与热应力耦合可以产生更多的塑性变形，而且由于温差小，冷却后形成的残余应力也大幅减小。对于TC4薄板的TIG焊接来说，冲击杆距离焊枪75mm左右的位置，其温度正好处于600～700℃，实际的随焊试验也验证了在这个位置施加冲击旋转挤压作用确实能很好地控制残余应力和消除失稳变形。

目录

随焊冲击旋转挤压法控制TC4 薄板失稳变形机理研究

MECHANISM RESEARCH ON CONTROL OF TC4 SHEET BUCKLING DEFORMATION WITH IMPACTING AND ROTATING EXTRUSION METHOD DURING WELDING

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的与意义

1.2 薄板失稳理论

1.2.1 稳定性的概念

1.2.2 薄板失稳分析方法

1.3 钛合金的焊接性

1.4 焊接应力和变形的控制方法及研究现状

1.5 钛合金焊接应力应变演化过程及失稳变形控制研究现状

1.6 论文主要研究内容

第2章 焊接薄板失稳分析

2.1 焊接薄板屈曲失稳分析

2.1.1 焊接薄板屈曲失稳的概念

2.1.2 焊接薄板热屈曲分析

2.2 TC4薄板TIG焊接失稳有限元模拟

2.2.1 模型的建立

2.2.2 材料性能

2.2.3 边界条件的定义

2.2.4 模拟结果分析

2.3 本章小结

第3章 随焊冲击旋转挤压法试验研究

3.1 随焊冲击旋转挤压法的提出

3.2 常规焊接试件和随焊冲击旋转挤压试件的变形量

3.3 焊接热循环测量

3.4 冲击旋转挤压参数的测量

3.5 拉伸性能分析和断口分析

3.6 金相分析

3.7 硬度测量

3.8 残余应力的测量

3.9 本章小结

第4章 随焊冲击旋转挤压法机理分析

4.1 冲击旋转挤压所产生的作用力

4.2 冲击旋转挤压作用和焊接残余应力的耦合

4.3 随焊冲击旋转挤压作用位置的选择

4.4 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢