钛合金焊接热弹塑性应力应变过程全图

钛合金焊接热弹塑性应力应变过程全图李 菊1, 关 桥1, 史耀武2, 郭德伦1(1.北京航空制造工程研究所,北京 100024; 2.北京工业大学,北京 100022)摘 要:针对焊接冷却过程中是否有卸载发生这一问题展开讨论,采用数值模拟方法研究在移动热源情况下钛合金焊接应力应变发展过程,给出钛合金焊接热弹塑性应力应变过程全图的定量物理描述。

结果表明,钛合金焊接冷却过程中有卸载发生;钛合金焊接热弹塑性应力应变过程全图由熔化区、压缩塑性区、拉伸塑性区、卸载区、受压弹性区五部分构成;在力学熔化区等温线内的拉伸塑性区的范围包括焊缝和近缝区,但在残余状态焊缝和近缝区均为卸载区。

关键词:钛合金;焊接;应变中图分类号:TG404 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2007)09-063-04李 菊0 序 言各国学者和专家在过去的一个世纪中对焊接应力和变形问题进行了大量研究,传统观点认为焊接加热过程中焊缝和近缝区的金属热膨胀受到周围较冷金属的拘束,产生压缩塑性应变;焊接冷却过程中该压缩塑性应变被抵消一部分,但焊后仍残留部分压缩塑性应变[1]。

德国拉达伊教授给出了移动热源准稳定状态下焊接热弹塑性应力应变发展过程的推理示意图[2]。

由该图可以看出,用虚线表示的抛物线状曲线代表局部最大温度,曲线前的局部温度升高,曲线后的局部温度下降。

由于加热膨胀的结果,曲线前产生压缩塑性区,曲线后因冷却热收缩形成拉伸塑性区,由压缩状态进入拉伸状态为弹性卸载带所分离。

在焊接冷却过程中是否有卸载发生,焊接热弹塑性应力应变发展过程究竟如何,直接影响着对焊接全过程的理解,同时也影响着对各种消除应力方法原理的认识。

作者以钛合金为研究对象,用有限元数值模拟和试验相结合的手段,力图定量求解钛合金薄板焊接应力应变的发展过程,给出这一过程的符合实际的定量物理描述,而不仅只是概念推理。

1 计算模型为研究钛合金薄板钨极氩弧焊应力应变的分布规律,建立三维热弹塑性有限元模型。

对钛合金TC4薄板对接进行分析,考虑结构的对称性,取其一半进行数值模拟,有限元网格如图1所示。

试验所用试件焊后尺寸为320mm 300m m 2.5mm。

焊接电流200A,电弧电压11.9V,焊接速度12m/h[3]。

焊接热源有效利用率67%[4],试件背面有铜垫板。

TC4钛合金的材料参数由文献[5]获得,屈服强度、弹性模量等力学性能参数均随温度的变化而变化。

图1 有限元网格Fig 1 M esh of FEA2 计算结果及分析2.1 距焊缝中心不同距离的点的应变历史研究距焊缝中心不同距离的点的应变发展历史,可以给出焊缝、近缝区及远离焊缝等典型部位的应变发展历史。

由于焊缝及近缝区应变梯度大,因而在这一区域选取了较密的点进行分析。

有限元计算结果表明,焊缝半宽为5mm[6],取试件中部x=160mm截面上距焊缝中心分别为0, 3,4,5,8,10和12mm的点进行分析,分析的对象既包含焊缝又包括近缝区。

图2为试件上各考察点与焊缝相对位置示意图。

第28卷第9期2007年9月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INS TI TUTIONVol.28 No.9September 2007收稿日期:2006-12-09图2 各点与焊缝相对位置示意图F ig 2 Schem e of selected points on weld图3给出这些点的纵向弹性应变及纵向塑性应变历程,考察在此横截面上熔池形成前后一段时间内各点的应变行为。

焊缝中心y =0mm 的点,随着电弧的临近迅速升温,膨胀受压,产生受压弹性应变和压缩塑性应变;电弧到来,金属熔化,形成熔池,熔融金属失去力学抗力,应力应变应为0,由于有限元分析中设定了一个可以收敛的最小值,因而熔池中金属应力由熔图3 不同位置点的弹性及塑性应变历史Fig 3 Elastic and plas tic strains histories at selected points64焊 接 学 报第28卷化前的压应力迅速减小并达到一个接近0的值,近似反映了熔融金属的状态。

这在图3a 中可以看出,受压弹性应变在对应热循环曲线上温度超过熔点的时间段内为一个约等于0的小值。

虽然熔融的金属自身为无应力无应变的状态,但由于熔池并不是孤立存在的,熔池内的金属是在已发生压缩塑性应变的近缝区的框架下熔化的,因而y =0mm 的点在经历熔化这一阶段时仍为压缩塑性应变。

电弧经过,熔池金属凝固形成焊缝;在随后的降温过程中,焊缝冷却收缩受近缝区金属的拉伸。

由于钛合金TC4的 力学熔点!设定为800∀,因而温度降至800∀之前焊缝处于 力学熔化!状态,焊缝内应力仍为接近0的值。

在图3a 中从熔点冷却至800∀的时间段内,弹性应变仍为接近0的小值。

正由于 力学熔化!状态的存在,使得受拉伸的焊缝金属在此时间段内产生拉伸塑性应变,该拉伸塑性应变的产生部分抵消了已存在的压缩塑性应变,从而使焊缝内的不协调应变减小。

在温度低于800∀后,力学抗力恢复,焊缝内产生拉伸弹性应变,而已形成的压缩塑性应变不再发生变化(见图3a 中的平直段)。

随着冷却过程的进行,拉应力逐渐增大。

拉应力增大的速度随着冷却的进行逐渐减慢,直至室温,形成残余拉应力。

距焊缝中心3,4和5mm 的点均为焊缝内的点,由图3b,d 可知,每一点的应变变化同焊缝中心y =0mm 的点都有着相似的变化规律,即都经历了熔化阶段,焊缝中都存在残余拉伸应力,残余状态都表现为缩短的不协调应变;在焊缝冷却降温过程中,所产生的拉伸塑性应变部分抵消了已存在的压缩塑性应变。

不同的是由于各点距焊缝中心距离的不同,因而加热达到的最高温度不同,降温过程中停留在 力学熔化!状态的时间不同,冷却过程中产生的拉伸塑性应变量不同,最终表现出来的残余不协调应变不同,拉伸残余应力不同。

对y =3,4,5mm 点的应变变化规律不再细述。

y =8,10,12mm 的点虽同为在近缝区的点,但由于距焊缝中心距离的不同,处在焊接接头的不同部位,表现出不同的应变变化规律。

由图3e 可见,对于y =8mm 的点,随着电弧临近考察点所在的横截面,金属升温,膨胀受压,产生压缩弹性应变和压缩塑性应变;当热源到达该横截面时,热源作用部位金属熔化,形成熔池;y =8mm 的点处于熔池外缘,由于熔池内金属处于熔融状态,无应力,熔池外围的金属与熔融金属有力学连续性,因而y =8mm 的点压应力迅速降低,并在熔池存在的一段时间内保持近乎于0值。

这从图3e 中受压弹性应变迅速减小并保持一个较小的值可以看出。

由于升温过程中所达到的温度最高值超过了800∀,同样,类似于y =0mm 的点,在温度降低至800∀之前,该点处于 力学熔化!状态,在和周围金属相互作用过程中受拉产生拉伸塑性应变,一定程度上补偿了升温过程中已产生的压缩塑性应变,使得最终的不协调应变减小;在800∀以下的降温过程中,由于已产生了压缩塑性应变受拉,产生拉伸弹性应变,但没有拉伸塑性应变的产生,压缩塑性应变不再变化。

此时,近缝区金属承受拉应力,且拉应力逐渐增大至室温残余应力。

虽同为近缝区的点,但y =10m m 的点在升温过程中产生的压缩塑性应变在冷却过程中保持不变,冷却过程中只产生拉伸弹性应变,即表现为受压弹性应变减小为零,而后产生拉伸弹性应变。

之所以压缩塑性应变在降温过程中保持不变,是因为该点在升温过程中所能达到的最高温度低于800∀,降温过程中没有经历 力学熔化!阶段,而是一直处于有力学抗力的状态,因此,冷却过程中受临近金属拉伸时产生拉伸弹性应变,在冷却至室温时拉伸弹性应变一直低于屈服应变,没有拉伸塑性应变的产生,因而在图3f 上看不到塑性应变减小的迹象。

由图3a~图3f 看到,无论是焊缝中心还是距焊缝中心10mm 的近缝区,均存在负的不协调应变,表明焊缝及近缝区在焊接过程中缩短了。

由图3g 可知,y =12mm 的点塑性应变为零,在整个焊接过程中该点没有塑性应变产生;说明距焊缝中心12mm 以外的区域为弹性区。

在加热过程中,该点产生受压弹性应变;在降温过程中,受压弹性应变逐渐减小。

2.2 钛合金焊接热弹塑性应力应变发展过程全图通过对距焊缝中心不同距离点的弹性应变与塑性应变发展历程的研究,可以清晰地勾画出焊缝及近缝区应变发展过程。

在此基础上,绘制了钛合金焊接热弹塑性应力应变过程全图(简称WSS 图welding thermal elasto plastic stress strain cycle),如图4所示。

图4 钛合金焊接热弹塑性应力应变发展过程全图F ig 4 Welding therm al elasto plastic s tress s train cycle(WSS)第9期李 菊,等:钛合金焊接热弹塑性应力应变过程全图65图4所示为移动热源引起的钛合金焊接热弹塑性应力应变过程全图,在所形成的准稳定温度场中有熔化区、压缩塑性区、拉伸塑性区、卸载区及受压弹性区。

图中所示的半抛物线状曲线为试件上的升温区与降温区的界线,是各等温线在垂直于热源移动方向上最宽点的轨迹;在曲线前方,材料的温度逐渐升高;在曲线后方,材料的温度开始下降。

在图4中,熔池部分用熔化区#来表示。

抛物线状曲线前方、熔池前方由于加热膨胀,产生压缩塑性应变,形成压缩塑性区∃,该区域用方格线标出;这可以由图3中塑性应变 p x的变化规律得出。

在热源的前方,无论是焊缝中心还是近缝区,都产生了压缩塑性应变;y=12mm点在热源到来之前不再有压缩塑性应变产生,因而可以得出结论,在熔化区前方,从焊缝中心y=0~12mm的区域逐渐进入压缩塑性区。

在抛物线状曲线后方和力学熔化等温线所包围的局域内形成拉伸塑性区%(用斜线标出)。

该拉伸塑性区包括焊缝区和近缝区,y=0,3,4,5和8m m 等点可以作为分析这一区域的代表。

这一区域的特点是:冷却过程中有拉伸塑性应变产生;残余态为缩短的不协调应变,存在拉伸弹性应变。

另外,值得一提的是,随着冷却过程的进行,该区域内的点将全部进入卸载区,处于卸载状态。

&区为卸载区,在图4中用竖直线标出。

这一区域为拉伸塑性区的外围,初始范围为y=9~12 mm。

这一区域中典型的代表点为y=10mm的点。

这一区域中的点在加热阶段所达到的最高温度低于材料的力学熔点!,且无冶金熔化过程的发生。

在升温阶段受热膨胀产生压缩塑性应变;降温过程中受压,弹性应变减小为零,并反向产生拉伸弹性应变,无拉伸塑性应变的产生。

由图4可以看到,除了y=9~12mm这一区域外,原拉伸塑性区中的点将在冷却过程中陆续步入卸载区。

由此,这一区域的特点是:残余态为缩短的不协调应变,冷却过程中产生卸载。