钛合金激光焊接残余应力试验与数值模拟

采用小孔释放法对钛合金薄板激光焊接残余应力进行了试验研究,并基于ANSYS分析软件,针对钛合金薄板的焊接残余应力进行了数值模拟,分析了不同焊接工艺参数对激光焊接残余应力分布的影响.     

钛合金薄板激光修饰焊残余应力研究

采用X射线法测量焊接残余应力,对比研究了TC4钛合金薄板激光焊和激光修饰焊的残余应力分布规律与特点。结果表明:激光修饰焊未改变TC4钛合金薄板激光焊接接头残余应力的分布特征;激光修饰焊可以显著降低焊接接头横向残余应力,X方向上的最大残余压应力由原来的409MPa降到345MPa,Y方向则从316MPa降至278MPa,在焊缝两侧8mm范围内,应力值波动很小,基本呈现均匀分布,对于焊接纵向残余应力激光修饰焊只是略微降低应力波动幅度;与激光焊的接头边缘处相比,由于边缘效应激光修饰焊接产生的残余应力释放幅度较低,从27%~42%降到10%~18%。     

钛合金电子束焊接表面残余应力的测试和有限元分析

采用多束电子束流焊接Ti60钛合金,并利用小孔法和有限元分析方法分别测试和模拟焊后残余应力值.对焊前预热、焊后缓冷和焊前预热+焊后缓冷三种焊接工艺下的残余应力值进行比较,研究残余应力的分布规律.研究结果表明,在垂直焊缝截面上,纵向残余应力σx的模拟结果与测试结果在变化趋势上基本一致.在平行焊缝截面上,实测与模拟纵向残余应力σx的分布规律相似.证明了有限元模型的合理性和可靠性.采用预热+焊接的焊接工艺对残余应力影响不大,采用焊接+缓冷的焊接工艺可以改变残余应力的分布.     

TC4钛合金焊后电子束局部热处理残余应力测试

用激光全息干涉法对电子束局部热处理后的TC4钛合金接头残余应力进行了测试,结果表明,经电子束局部热处理后,TC4钛合金焊接残余应力的分布趋势发生了变化,上表面焊缝区较高的残余拉应力得到了降低,且应力峰外移.     

钛合金窄间隙TIG焊试板热处理前后表面残余应力研究

采用磁控窄间隙TIG焊接方法对31mm厚TC4钛合金试板进行焊接,焊接完成后采用压痕应变法测量真空退火处理前后表面焊接残余应力分布。结果表明,试板表面纵向焊接残余应力σx和横向焊接残余应力σy均较高;试板下表面焊接残余应力高于上表面焊接残余应力;峰值焊接残余应力出现在高温热影响区,数值可以达到材料屈服强度的50%~60%。经过650℃的真空退火热处理,焊接试板的纵向和横向残余应力均显著降低,残余应力降低幅度最高超过50%,剩余残余应力峰值均低于200MPa,表面残余应力重新分布。     

TC4钛合金薄板高能束焊接接头疲劳性能研究

对TC4钛合金薄板激光焊和电子束焊接头的疲劳性能进行了试验研究,测试了不同应力水平下的疲劳寿命。采用统计分析的方法研究了TC4钛合金薄板母材及其高能束流焊接接头的中值疲劳寿命。分析了焊接工艺条件对接头疲劳强度的影响。结果表明,在高应力水平时,TC4钛合金高能束流焊接接头的疲劳寿命低于母材的疲劳寿命,在低应力水平时,TC4钛合金高能束流焊接接头的疲劳寿命高于母材的疲劳寿命。     

AISI 304钢-铌异种金属激光焊温度场及残余应力研究

采用SYSWELD软件,对AISI 304钢–铌异种金属激光焊接过程进行动态模拟,在研究了AISI 304钢–铌异种金属激光焊接接头温度场的基础上,分析了焊后薄板的残余应力分布。结果表明:异种金属焊接温度场呈不对称分布,铌侧高温区域比不锈钢侧要宽;沿焊接方向上,无论是横向残余应力还是纵向残余应力,焊缝中部区域都存在最大残余拉应力;而垂直于焊缝方向上,横向残余应力和纵向残余应力在焊缝及焊缝附近区域应力梯度都比较大,分布形态都呈"M"状,纵向残余应力在焊缝区表现为残余拉应力,而横向残余应力在焊缝中心处出现了压应力。     

钛合金平板电子束焊接残余应力数值分析

本文建立了钛合金平板移动电子束热源的焊接温度场和应力场的数值分析模型,针对6mm厚的TC11钛合金平板试件,计算分析3种不同工艺参数的电子束焊接温度场及残余应力分布规律,结果表明对于平板电子束焊接接头,在焊缝及近缝区的很窄的区域内,存在数值接近材料屈服极限的纵向残余应力,焊接工艺不同将会影响残余应力的数值,采用正面焊透加背面修饰的焊接工艺可在一定程度上降低纵向残余应力的数值。      

钛合金薄板激光焊接头的疲劳性能

对BT20钛合金薄板激光焊接头的疲劳性能进行了试验研究,测试了不同应力水平下的疲劳寿命,获得了BT20钛合金薄板母材、激光焊接头和活性激光焊接头的中值疲劳寿命,并获得了激光焊接头99%可靠度和95%置信度水平上的安全疲劳寿命,分析了激光焊和活性激光焊方法对接头疲劳寿命的影响.     

TC4钛合金薄板多束流电子束焊接变形控制研究

采用电子束高频偏转扫描技术实现了多束流电子束焊接,在焊接的同时增加两个辅助电子束热源进行TC4钛合金薄板的焊后缓冷,利用辅助热源在焊缝两侧产生的热应力来改变焊件的应力分布,达到减小焊后应力、控制焊接变形的目的。重点研究了辅助热源位置和能量分配等工艺参数对焊接变形的影响。实验结果表明,采用辅助热源进行焊后缓冷可以有效减小焊接变形,当D=5mm,H=10mm,电子束束流为9.3m A,能量分配为16.25%时,1mm厚的TC4钛合金薄板焊接变形最小。     

TC4钛合金薄板多束流电子束焊接变形控制研究

采用电子束高频偏转扫描技术实现了多束流电子束焊接,在焊接的同时增加两个辅助电子束热源进行TC4钛合金薄板的焊后缓冷,利用辅助热源在焊缝两侧产生的热应力来改变焊件的应力分布,达到减小焊后应力、控制焊接变形的目的。重点研究了辅助热源位置和能量分配等工艺参数对焊接变形的影响。试验结果表明,采用辅助热源进行焊后缓冷可以有效减小焊接变形,当D=5mm,H=10mm,电子束束流为9.3m A,能量分配为16.25%时,1mm厚的TC4钛合金薄板焊接变形最小。     

TC4钛合金线性摩擦焊接头组织及残余应力分布特征

使用光学显微镜和X射线衍射法对TC4钛合金线性摩擦焊接头组织和残余应力分布特征进行研究。结果表明:热机影响区内的α相和β转变体在线性摩擦焊接过程中被不同程度地拉长,变形严重,焊缝区存在超细晶粒区。焊后接头的残余应力场表现为在一侧为拉应力,而在另一侧同时存在拉应力区和压应力区。垂直于焊缝的横截面上,垂直焊缝方向的残余应力在焊缝中心和焊缝端部分别呈现V字形和W字形分布特征,而在焊缝纵截面上,平行焊缝方向的残余应力分布特征为中心段存有较高的残余拉应力,至焊缝两端逐渐下降为压应力。     

钛合金薄板对接及锐角接电子束焊接

针对TC4钛合金薄板对接接头和TC1钛合金薄板锐角接头进行电子束焊接工艺研究,得到TC4及TC1钛合金薄板的电子束焊接工艺参数.通过常规力学性能测试和X射线检查,TC4钛合金对接焊缝的拉伸强度平均为1050MPa,达到了母材强度的95％以上.试验结果证明,上述工艺参数得到的焊缝,满足设计及相关文件的要求.     

TC17钛合金焊接及局部热处理残余应力的数值模拟

对TC17钛合金平板的氩弧焊焊接和焊后热处理过程进行了数值模拟,模型中考虑材料相变和蠕变,计算得到焊接和热处理过程中的温度场演变情况和热处理前后残余应力分布规律。结果表明,由于存在较大的热输入,焊后产生了较大的残余应力,焊缝附近的HAZ区域纵向残余拉应力达到了650MPa左右,热处理后降低至160MPa左右。采用小孔法和X射线衍射仪测量了试件的残余应力,模拟计算得到的残余应力值与小孔法测试结果符合性较好。     

超声冲击载荷对CP3钛合金焊接接头残余应力的影响

首先建立了焊接过程及超声冲击过程有限元模型,得到超声冲击处理前后CP3钛合金焊接焊缝处残余应力分布规律;基于模拟仿真结果,进行了相应的工艺试验研究,以不同大小冲击载荷对焊缝处进行全覆盖冲击,采用小孔法测量不同处理条件下的残余应力值。结果表明,采用超声冲击处理方法,可将焊缝处的高值残余拉应力转化为压应力,残余应力降幅达到125%以上;随着冲击力的增加,压应力的幅值不断增大,但当冲击力达到60N后,压应力将趋于稳定,不再增加。     

GH3536电子束焊接残余应力分布分析

采用应力释放法测量了10mm厚GH3536高温合金电子束焊接纵向残余应力分布.结果表明:高温合金电子束焊接残余应力分布范围较小,约为焊缝宽度的4-7倍.残余应力的最大值可达到材料的屈服极限.研究成果为优化电子束焊接工艺和应力与变形分析提供了理论依据和指导.     

基于ABAQUS的TC21结构件孔挤压强化模拟分析

为研究钛合金孔挤压强化后残余应力的分布情况,本文针对TC21钛合金结构件,采用ABAQUS软件建立有限元模型,分析孔挤压强化后应力的分布情况。结果表明:开缝衬套孔挤压强化后孔的周向残余应力分布较不均匀。同时,开缝衬套孔挤压强化后孔的周向残余应力沿厚度方向有一定变化,但变化不大。     

TC17钛合金激光喷丸应力场及支持向量机应力热松弛模型

对TC17钛合金进行了不同功率密度下激光喷丸强化,使用X射线衍射仪测试了激光喷丸冲击波诱导的残余压应力场的分布,测试了不同温度真空保温下残余压应力的热松弛规律,最后基于支持向量机理论建立了残余压应力热松弛预测模型,并用试验结果对模型进行验证.研究表明:TC17钛合金在功率密度为4GW/cm2时表层残余压应力场最佳;残余压应力在280℃和450℃真空保温150min后分别有11.24%和27.11%的松弛;在280℃和450℃交替保温160min后应力松弛33.9%;残余压应力在试验温度保温160min后有大部分剩余,可以有效提高TC17钛合金抗疲劳性能、基于支持向量机的预测模型能够较精确的表征TC17钛合金的应力松弛规律,满足工程使用要求,对其他材料表层残余压应力热松弛分析具有借鉴意义.      

TC4钛合金超声喷丸强化残余应力数值模拟分析

为了探究TC4钛合金超声喷丸过程中喷丸参数对残余应力的影响规律,基于ABAQUS建立了TC4钛合金超声喷丸强化的3维有限元模型,分别从超声喷丸模型中振动头振幅、弹丸数量和弹丸直径的变化对TC4钛合金表层及亚表层残余应力分布的影响进行了分析。结果表明:随着振动头振幅和弹丸直径的增加,试件表面及亚表面每层残余压应力分布范围及残余压应力值均增大,残余压应力层深度增加;随着弹丸数量的增加,仅能提高每层残余压应力的值,对残余压应力层深度影响较小。     

超声波振动切削TC4钛合金的残余应力数值分析

为研究超声波振动切削TC4钛合金产生的残余应力,利用三维热力耦合有限元模型对钛合金超声波振动切削和振动时效处理进行了数值模拟。超声波振动切削相比普通切削可有效降低平均切削力,但振动切削的瞬时冲击作用使工件表层产生分布梯度较大的残余应力。振动时效可在一定程度上降低和均化被切削工件的残余应力,并提高TC4钛合金工件的抗疲劳性能。