钛合金真空电子束焊接数值模拟与变形控制

论文摘要

本文针对电子束焊接中常见的T型接头,辅助于有限元模拟软件,对钛合金T型接头的电子束焊接过程进行了数值分析,并进行了工艺试验验证,得到了正确的热源模型和三维有限元计算模型。针对加速电压为60kV,电子束流为14mA,焊接速度为11mm/s的钛合金T型焊接接头,利用有限元软件进行了数值模拟。在模拟过程中提出了由高斯面热源和椭球体热源叠加的组合热源模型,利用该模型模拟了钛合金T型接头电子束焊接的温度场、应力场以及焊接变形情况。温度场分析结果显示,焊接热循环曲线符合电子束焊接的特点。分析了三向残余应力在各个方向上的分布特征,纵向应力在沿焊缝方向表现出较大的拉应力,最大值可达750MPa;横向应力在焊缝两端表现为较大的压应力,最大值可达450MPa;在沿筋板厚度方向,三向残余应力在盖板与筋板的结合处出现峰值。分析了钛合金T型接头的焊接变形,最大角变形为0.29mm,在焊接的起弧和收弧位置横向变形的数值较大。本文采用真空电子束焊接方法对钛合金盖板和筋板组成的T型接头进行了焊接。通过对焊接接头的金相分析和压剪强度分析发现,焊接接头成形良好,压剪强度高。利用X射线衍射的方法测量了焊接试件的横向残余应力,最大拉应力为176MPa,最大压应力为306MPa。自行设计测量方法,测量了焊接试件的角变形和横向变形,最大角变形为0.294mm,横向收缩变形在起弧和收弧位置数值较大。分别对钛合金T型接头电子束焊接的温度场、应力场以及焊接变形的数值模拟结果进行了试验验证。结果显示,温度场熔池横截面与实际焊缝形貌符合良好,残余应力和焊接变形模拟结果的误差在15%以内。针对钛合金舵芯的特殊结构,本文采用离散化方法对不同类型的焊缝进行分类和单独模拟,最终将所得的模拟结果进行累加,得到了舵芯的整体焊接变形情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 钛合金及其焊接性
• 1.2.1 钛合金的基本性质与应用
• 1.2.2 钛合金的焊接方法
• 1.2.3 钛合金真空电子束焊接的研究现状
• 1.3 真空电子束焊接
• 1.3.1 电子束焊接的基本原理
• 1.3.2 电子束焊接的特点
• 1.4 电子束焊接过程数值模拟的研究现状
• 1.4.1 电子束焊接热源模型的研究现状
• 1.4.2 电子束焊接数值模拟的研究现状
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 试验材料与试验方法
• 2.1 试验材料及焊前准备
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 焊前准备
• 2.2 试验设备及试验条件
• 2.2.1 试验设备
• 2.2.2 试验条件
• 2.2.3 试验过程
• 2.3 分析测试方法
• 第3章 T 型接头有限元模型的建立
• 3.1 有限元模型的建立
• 3.2 初始条件和边界条件
• 3.3 热源模型的选择
• 3.4 钛合金的物性参数和力学参数
• 3.5 本章小结
• 第4章 T 型接头电子束焊接的模拟与验证
• 4.1 焊接温度场的数值模拟与分析
• 4.2 焊接残余应力的数值模拟与分析
• 4.2.1 垂直焊缝方向应力的分布情况
• 4.2.2 沿焊缝方向应力的分布情况
• 4.2.3 厚度方向上应力的分布情况
• 4.3 焊接变形的数值模拟与分析
• 4.3.1 横向变形的数值模拟分析
• 4.3.2 角变形的数值模拟分析
• 4.4 试验结果与分析
• 4.4.1 压剪试验
• 4.4.2 金相组织结果分析
• 4.4.3 焊接残余应力的测量
• 4.4.4 焊接变形的测量
• 4.5 模拟结果的验证
• 4.5.1 温度场模拟结果的验证
• 4.5.2 应力场模拟结果的验证
• 4.5.3 焊接变形模拟结果的验证
• 4.6 影响焊接变形的几个因素
• 4.6.1 筋板厚度的影响
• 4.6.2 束流大小的影响
• 4.6.3 焊接速度的影响
• 4.7 本章小结
• 第5章 钛合金舵芯电子束焊接的数值模拟
• 5.1 钛合金舵芯有限元模型的建立
• 5.1.1 整体模型的建立
• 5.1.2 数值模型的简化
• 5.2 周向焊缝的数值模拟与分析
• 5.2.1 后墙焊接过程的数值模拟
• 5.2.2 底面焊接过程的数值模拟
• 5.2.3 前缘焊接过程的数值模拟
• 5.3 加强筋焊缝的数值模拟与分析
• 5.3.1 环向焊缝的数值模拟与分析
• 5.3.2 发射筋焊接过程的数值模拟
• 5.4 立板焊接的数值模拟与分析
• 5.5 焊接变形的整体分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢