钛合金焊接原始疲劳质量评估

论文摘要

在先进飞机上，钛合金用量越来越多，由于钛合金具有良好的焊接性能，而且可使结构重量显著减轻，同时又节省材料，节约制造成本，提高效率，其制造工艺也由原来的铆接为主发展到以焊接为主。钛合金在高温下化学性质非常活泼，在焊接过程中存在各种复杂因素的影响，不可避免地会形成一些焊接缺陷，根本上消除焊接缺陷在工程上是不可能的。因此，防止钛合金焊接件发生失效的根本措施是进行损伤容限设计，因此，必须对钛合金焊接结构的原始疲劳质量进行评估。损伤容限设计思想中的初始裂纹，就是指把这些存在于构件中的初始缺陷综合地归结为一个非实体的当量裂纹长度a0i，称之为当量初始裂纹长度，并以此作为表征构件质量的参量，因此称之为当量初始质量。a0i虽是一个假设的裂纹长度，却又综合反映了构件中的材质以及加工制造质量，所以又将a0i称为原始疲劳质量。以先进飞机具有重要应用的TC4、TC18、TC21、TA15钛合金焊接试样为研究对象，并应用电子束焊工艺焊接加工成疲劳试样，开展了不同试验条件下的疲劳试验。针对疲劳试验断口，对钛合金焊接断裂源区进行了观察和统计分析，断口缺陷有气孔和未熔合两种，疲劳源区大多位于试样的表面，若试样内部存在缺陷，则一般疲劳裂纹从缺陷处萌生。利用疲劳断口上的疲劳条带和断口定量分析的方法对钛合金焊接疲劳试样的原始疲劳质量进行了评估，首先利用断口定量分析方法得到不同裂纹长度的扩展寿命，进而得到不同裂纹长度处的寿命，即（a，N）作为原始疲劳质量评估的基础，再利用（a，N）数据绘制曲线，用合适的方程进行拟合，得到a0i，在得到每个试样原始疲劳质量的基础上，研究了原始疲劳质量的分布，结果表明，用weibull分布模型和正态分布模型均可表达钛合金焊接的原始疲劳质量分布，而两种模型得到的原始疲劳质量的期望值接近。本论文还对原始疲劳质量的影响因素进行了分析，疲劳应力和缺陷均是原始疲劳质量的影响因素，疲劳应力较大，原始疲劳质量a0i也较大，相当应力条件下，缺陷尺寸大，原始疲劳质量a0i也大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题依据、目的和意义
• 1.2 国外研究现状
• 1.2.1 钛合金焊接相关研究
• 1.2.2 原始疲劳质量相关研究
• 1.3 国内研究现状
• 1.3.1 钛合金焊接相关研究
• 1.3.2 原始疲劳质量相关研究
• 1.4 断口定量分析的研究进展
• 1.5 论文的研究内容
• 第2章 钛合金焊接缺陷与断裂特性
• 2.1 焊接缺欠、缺陷的定义和分类
• 2.2 钛合金焊接方法
• 2.2.1 真空电子束焊
• 2.2.2 氩弧焊
• 2.2.3 其他焊接方法
• 2.3 钛合金焊接常见缺陷
• 2.4 钛合金焊接试样的断裂特性
• 2.4.1 疲劳断裂过程
• 2.4.2 钛合金焊接结构的疲劳断裂特性
• 第3章 试验材料与方法
• 3.1 试验材料
• 3.2 试样的制备和焊接工艺
• 3.3 试验设计
• 3.3.1 试验条件的设置
• 3.3.2 疲劳试验
• 3.4 断口观察方法
• 3.5 断口定量分析方法
• 3.5.1 疲劳断裂特征
• 3.5.2 钛合金焊接疲劳断裂特征
• 3.6 断口反推原始疲劳质量方法
• 3.6.1 Paris 公式定量反推疲劳扩展寿命
• 3.6.2 列表梯形法定量反推疲劳寿命
• 第4章 钛合金焊接原始疲劳质量的概率分布
• 4.1. 钛合金焊接疲劳特性
• 4.1.1 裂纹起源情况分析
• 4.1.2 缺陷与疲劳寿命之间关系
• 4.2 原始疲劳质量的反推
• 4.3 原始疲劳质量分布模型表达式
• 4.4 钛合金焊接原始疲劳质量分布
• 第5章 影响钛合金焊接原始疲劳质量的因素
• 5.1 钛合金焊接未熔合对原始疲劳质量的影响
• 5.2 钛合金焊接气孔对原始疲劳质量的影响
• 5.2.1 气孔缺陷尺寸及位置的影响
• 5.2.2 TA 15 焊接材料缺陷尺寸与总寿命、原始疲劳质量的关系
• 5.3 试验应力对原始疲劳质量的影响
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 1 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录 2 试验结果数据