钛合金薄板焊接结构在新型飞行器制造中得到了日益广泛的应用,这是提高产品战术和技术性能、减轻自身重量和增加承载能力的主要途径。但是钛合金焊接应力和变形问题十分突出,使其应用范围受到了一定限制。随着计算机技术的发展,有限元软件不断应用于焊接模拟领域,为各种工程问题的求解提供了强大的支持,并节省了大量的实验费用。利用有限元软件对钛合金薄板焊接过程的温度场与应力应变场进行模拟计算,并加入适当的实验验证,对于研究钛合金焊接应力及变形规律,优化控制工艺参数和提高焊接质量都具有非常重要的现实意义。本文在这一背景下,建立了TA15钛合金TIG平板表面堆焊、T型接头与某型飞机壁板填丝焊的三维有限元模型,对焊接过程进行模拟分析。 对于平板结构,研究了热源及其附近区域应力分布规律,热源作用的前方和焊缝热影响区受压应力作用,热源区域处于零力学状态,热源作用的后方和远离焊缝的区域受拉应力作用,在焊缝的热影响区内出现了残余应力峰值。 对于T型接头,研究了焊缝中部横截面上各节点焊接过程应力应变变化趋势,随着热源的临近,焊缝金属逐渐进入塑性变形状态,熔池内金属有负的塑性应变产生,当热源经过后塑性变形区域有所扩大,塑性应变增加。焊接结束后,焊缝区域的纵向残余应力要明显高于横向残余应力,纵向残余应力峰值达到555MPa,低于钛合金室温时的屈服极限。利用切条法测量平板结构与T型接头焊缝中部横截面上的纵向残余应力,测量结果与模拟结果相比均偏小,这与所采用的试验方法及有限元模拟过程中的模型简化有关。 基于T型接头焊接过程的模拟方法,对某型飞机TA15钛合金壁板TIG焊过程的温度场及应力应变场进行模拟,根据企业的实际焊接情况,研究了不同焊接顺序条件下焊后残余应力分布及变形特点,为优化焊接工艺提供理论指导,结果表明采用首尾焊接方法得到的焊缝纵向残余应力峰值较低,采用此种焊接顺序加工实际构件,可以为后续工艺的顺利实施提供方便。
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