史吉鵬，潘 新，付和國(guó)，趙興旺，關(guān) 峰，董旭光

(1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，沈陽(yáng)110034；2.沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)110159)

TA15鈦合金，是一種近α鈦合金，具有的比強(qiáng)度高、抗腐蝕性好、耐高溫、韌性好、焊接特性優(yōu)良的一系列突出優(yōu)點(diǎn)，使得TA15鈦合金在民用與軍用航空航天領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用[1-5]。特別是近年來(lái)，飛行器輕量化設(shè)計(jì)的理念越來(lái)越成熟完善，薄壁鈦合金框架類(lèi)結(jié)構(gòu)件的使用更是得到了前所未有的發(fā)展?？蚣茴?lèi)結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制造，不可或缺的一種加工工藝便是焊接技術(shù)，焊接接頭質(zhì)量的好壞直接決定著結(jié)構(gòu)件的裝配性及使用性[6-10]。鈦合金導(dǎo)熱速度較慢，薄壁鈦合金構(gòu)件焊接時(shí)受到焊接熱循環(huán)的影響，焊接完成后零件會(huì)產(chǎn)生較大的焊接變形，而該變形直接影響零件與其他零件裝配時(shí)的精度，裝配精度不高，則會(huì)影響飛行器飛行過(guò)程中的安全性[11-12]。多層并列焊道的結(jié)構(gòu)是框架類(lèi)零件中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，其由多層墊板及墊板兩側(cè)的支柱通過(guò)焊接連在一起，其焊道形式多為對(duì)接焊。針對(duì)薄壁對(duì)接焊的焊接變形行為已經(jīng)被學(xué)者從試驗(yàn)或仿真角度進(jìn)行了深入的分析，而多層并列焊道結(jié)構(gòu)涉及到多條平行的對(duì)接焊道，焊后零件的整體情況受到多條并列焊道的共用作用。相對(duì)于單獨(dú)對(duì)接焊，多層并列焊道結(jié)構(gòu)零件的焊接具有更為復(fù)雜的焊后變形狀態(tài)，且這種狀態(tài)也嚴(yán)重制約著零件的質(zhì)量與生產(chǎn)周期；如何更為清晰的分析此類(lèi)結(jié)構(gòu)件的變形過(guò)程并優(yōu)化焊接工藝是零件生產(chǎn)中一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。本文選擇具有多層并列焊接結(jié)構(gòu)的典型件為研究對(duì)象，利用仿真手段對(duì)零件焊接時(shí)及焊接后的變形狀態(tài)進(jìn)行研究分析，并利用分析結(jié)果，指導(dǎo)焊接工裝的安裝設(shè)計(jì)。

1 試驗(yàn)過(guò)程及方法

研究選用具有薄壁多層并列焊道結(jié)構(gòu)的典型件為研究對(duì)象，如圖1所示，零件外廓尺寸430mm×130mm×140mm，該零件由4塊墊板A～D、左右2個(gè)銑切加工成形的側(cè)板E與F組成，其中A墊板的厚度為5mm，其余B～D墊板厚度為3mm，墊板與側(cè)板之間通過(guò)非熔化極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)填絲焊接連接，共8道焊道。A墊板開(kāi)X形坡口(45°)，鈍邊1mm，執(zhí)行雙面焊接；B～D號(hào)墊板開(kāi)單面坡口(45°)，鈍邊1mm，執(zhí)行單面焊雙面成形工藝。零件材料為T(mén)A15鈦合金，通過(guò)直讀光譜儀對(duì)母材進(jìn)行測(cè)量得出化學(xué)成分，如表1所示；母材的熱物理特性如圖2所示。焊接所用焊接電流為：墊板A為180A；墊板B～D為130A。

表1 TA15鈦合金化學(xué)成分 wt%

本試驗(yàn)設(shè)置兩種焊接順序，其區(qū)別在于，焊接順序1(順序焊接)為從零件一側(cè)的D號(hào)墊板按照墊板編碼C號(hào)～A號(hào)順序依次焊接到另一側(cè)；焊接順序2(對(duì)稱焊接)為按照墊板編碼順序由零件兩側(cè)向中間焊接。同時(shí)利用有限元算法分別對(duì)不同焊接順序的應(yīng)力場(chǎng)及焊接變形進(jìn)行對(duì)比分析。

順序1(順序)：焊道1→焊道2→焊道3→焊道4→焊道5→焊道6→焊道7→焊道8

順序2(對(duì)稱)：焊道1→焊道2→焊道7→焊道8→焊道3→焊道4→焊道5→焊道6

2 有限元模型

2.1 熱源模型及溫度場(chǎng)計(jì)算

研究采用TIG焊接熱源對(duì)零件進(jìn)行焊接試驗(yàn)，由于熱源能量密度低，熱量穿透能力弱，焊接熱源所選用的模型將直接影響焊接溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，所以選用文獻(xiàn)[13-16]提出的雙橢球熱源模型，其特征為作用于零件上的熱源從空間可以分為前、后兩部分，如圖3所示，圖中a1與a2分別為雙橢球模型X軸的前、后部分長(zhǎng)度，b為Y軸方向的長(zhǎng)度，c為Z軸方向深度。設(shè)半橢球體能量分?jǐn)?shù)分別為f1和f2，且f1+f2=2，則前、后兩部分半橢球體內(nèi)的熱流分布可以通過(guò)q1和q2表示為

(1)

(2)

式中：x、y、z為坐標(biāo)；Q為輸入功率，計(jì)算公式為

Q=ηUI

(3)

式中：η為熱源熱效率(取0.5)；U為電壓；I為電流。

由于焊接過(guò)程是一個(gè)快速加熱熔化又急速冷卻的過(guò)程，所以其整體熱循環(huán)為非線性狀態(tài)，故分析需用到非線性傳熱方程來(lái)描述，如式(4)所示。

(4)

式中：k、ρ、cp分別為鈦合金的熱導(dǎo)率、密度和比熱容；Qv為熱源項(xiàng)；T為溫度；t為時(shí)間。

焊接零件與焊件周?chē)h(huán)境的熱對(duì)流qa和熱輻射qr可以通過(guò)式(5)、式(6)來(lái)表示。

qa=-ha(Ts-Ta)

(5)

qr=-σsθ[(Ts+273)4-(Ta+273)4]

(6)

式中：Ts和Ta分別為零件表面溫度與空氣溫度(均取20℃)；ha是對(duì)流交換系數(shù)(取15W/(K·m2))；θ是熱輻射系數(shù)(取值為0.8)；σs是波爾茲曼常數(shù)(取值為5.67×10-8JK-4m-2s-1)。

2.2 應(yīng)變計(jì)算

當(dāng)對(duì)焊接應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將溫度場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果代入熱載荷，加載到熱-彈-塑性有限元模型中進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算，可用公式(7)～(9)表示。

(7)

(8)

(9)

式中：σ1、σ2分別為縱向、橫向殘余應(yīng)力；E為彈性模量；G1、G2為應(yīng)變釋放系數(shù)，其中G1取值為-3.9×10-2，G2取值為-9.04×10-2；ε1、ε2、ε3定義為釋放應(yīng)變；ξ為σ1與最大主應(yīng)力之間的夾角。應(yīng)變釋放系數(shù)是材料彈性模量與泊松比的函數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 整體焊接殘余應(yīng)力情況分析

對(duì)焊接順序1(順序焊接)進(jìn)行焊接過(guò)程應(yīng)力分布仿真，結(jié)果如圖4所示。

圖4a～4d為焊接焊道1到焊道8過(guò)程中零件的應(yīng)力分布狀態(tài)。從圖4d可以看出，經(jīng)過(guò)焊接后每塊墊板均產(chǎn)生了呈對(duì)稱分布的焊接殘余應(yīng)力，且各焊道的應(yīng)力狀態(tài)為中間高四周低圓形分布。隨著順序焊接墊板D～A；墊板C的兩焊道焊接完成后應(yīng)力范圍出現(xiàn)相交；到墊板A焊接完成后，兩焊道的應(yīng)力范圍已經(jīng)融合。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)隨著墊板的順序焊接，各墊板焊道應(yīng)力場(chǎng)范圍基本不發(fā)生變化，但應(yīng)力值在逐漸增大。在焊接最終狀態(tài)時(shí)(如圖4d所示)，從墊板D到墊板A，兩并列焊道的應(yīng)力場(chǎng)之間的距離逐漸減小，且零件的最小應(yīng)力值出現(xiàn)在墊板D上，約130MPa，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在墊板A上邊緣處，約為580MPa。這主要是墊板D焊接是單面焊，而A是雙面焊接，相對(duì)于墊板D上的焊道，墊板A焊接時(shí)的熱輸入較大，所以墊板A處的焊接應(yīng)力最大。此外，由于墊板D首先焊接后，墊板D對(duì)兩側(cè)機(jī)加壁板起到支撐作用，但其他方向均為自由狀態(tài)，受到墊板D焊接時(shí)所產(chǎn)生的墊板表面垂直于焊道方向應(yīng)力狀態(tài)的作用，使得墊板C、B、A兩側(cè)的側(cè)板向中間收縮產(chǎn)生位移。在后續(xù)焊接墊板C、B、A時(shí)，三處的間隙均小于墊板的寬度，若將墊板放置到待焊處，需將受應(yīng)力自由變形減小的間隙增大到墊板等寬，這種間隙增大的過(guò)程也會(huì)在墊板放置處產(chǎn)生應(yīng)力。隨著墊板從D～B依次焊接，墊板A處位移疊加逐漸增大，最后再加上墊板A處焊接后自身產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力，導(dǎo)致墊板A的應(yīng)力值最大。

圖5所示為焊接順序2(對(duì)稱焊接)的焊接過(guò)程應(yīng)力分布云圖。

圖5a～5d為焊接焊道1到焊接焊道8過(guò)程中零件的應(yīng)力分布狀態(tài)。從圖中可以看出，與焊接順序1(順序焊接)相比，焊后的零件各墊板的應(yīng)力范圍基本一致，但各墊板上焊道處的應(yīng)力值均增大，其中最大值仍出現(xiàn)在墊板A的上邊緣處，約為630MPa。這主要是由于更改焊接順序，在墊板A焊接完成后，首先形成一個(gè)由墊板A與墊板D以及兩側(cè)的側(cè)壁組成框架類(lèi)零件，零件自身具有一定的剛性。當(dāng)墊板C與墊板D焊接時(shí)，由于焊接應(yīng)力所產(chǎn)生的橫向位移，受到墊板A與墊板D的共同作用，零件不再能自由收縮變形，焊接應(yīng)力均殘留在零件墊板處，因此對(duì)稱焊接的零件整體焊接殘余應(yīng)力比順序焊接要大約50MPa。

3.2 整體焊接變形情況分析與控制

圖6所示分別為兩種焊接順序的零件整體焊接變形狀態(tài)，其中圖6a為焊接順序1焊后整體變形；圖6b為焊接順序2焊后整體變形。

對(duì)比圖6a、6b可以看出，兩種焊接順序的零件焊后整體均發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，但經(jīng)過(guò)順序2焊接的零件側(cè)臂出現(xiàn)拱形。順序2的最大變形量2.9mm，與順序1工藝的最大變形5.1mm相比小了2.2mm；這主要是由于對(duì)稱焊接時(shí)先焊接墊板D和墊板A號(hào)件，使零件整體剛性提高，可以自由產(chǎn)生的有效變形減小。對(duì)比兩者可以看出，焊接順序改變后，雖然零件整體的應(yīng)力增大，但變形量變??；說(shuō)明零件本身先具備一定剛性后，可以有效減小焊接變形。使零件變形最大的焊接過(guò)程是墊板A的焊接，這是因?yàn)閴|板A的厚度較大，焊接過(guò)程熱輸入較大，導(dǎo)致焊接應(yīng)力集中，使零件變形增大。

綜上所述，合理的焊接順序是減小焊接變形和內(nèi)應(yīng)力的有效方法，是更好的保證焊接質(zhì)量的重要措施。按上述優(yōu)化焊接順序后的模擬仿真與分析結(jié)論，將焊接順序優(yōu)化為先焊接墊板D和墊板A，兩零件焊接后組件整體形成框形結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的剛性；再進(jìn)行墊板B與墊板C的焊接，可有效減小焊接變形。說(shuō)明預(yù)置框架，使零件具有剛性，是改善多層并列焊道結(jié)構(gòu)焊接變形的有效手段。基于預(yù)置框架，加強(qiáng)零件剛性控制變形的思想，針對(duì)本典型件的焊接工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖7所示。

從圖7中可以看出，在墊板焊接前，將6根撐桿安裝到待焊墊板位置兩側(cè)，保證每個(gè)墊板位置與兩側(cè)的撐桿之間均會(huì)形成一個(gè)框架。

3.3 應(yīng)用驗(yàn)證

利用兩種焊接順序，配合焊接撐桿工裝分別對(duì)5個(gè)典型件進(jìn)行焊接，而后進(jìn)行熱校形。對(duì)兩種焊接順序焊接后的零件測(cè)量記錄X、Y、Z方向的尺寸，與理論尺寸進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算各焊接順序的變形量，結(jié)果見(jiàn)表2與表3所示，其中表2為典型件順序焊接變形量，表3為典型件對(duì)稱焊接變形量。

表2 典型件順序焊接變形量 mm

表3 典型件對(duì)稱焊接變形量 mm

對(duì)表2、表3進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于順序焊接的變形量，采用對(duì)稱焊接后各方向的變形值均有減小，其中X方向由均值2.6mm減小到1.4mm，減小約53.8%；Y方向由均值1.9mm減小到1.0mm，減小約52.6%；Z方向由均值1.6mm減小到0.8mm，減小了50%。

對(duì)變形典型件的熱校形次數(shù)進(jìn)行記錄，結(jié)果如表4所示。采用對(duì)稱焊接后，熱處理校形的次數(shù)減少50%以上，說(shuō)明采用對(duì)稱焊接配合工裝撐桿的使用可以有效改善多層并列焊道結(jié)構(gòu)的零件的焊接變形。

表4 典型件不同焊接順序后熱處理校形次數(shù)

4 結(jié)論

(1)依照對(duì)稱焊接與順序焊接兩種方式焊接完成后，零件的最大應(yīng)力處均位于最厚墊板處，且順序焊接比對(duì)稱焊接最大應(yīng)力高50MPa。對(duì)稱焊接完成后變形量約為2.9mm，比順序焊接小了約2.2mm。

(2)相對(duì)于順序焊接方式，對(duì)稱焊接先焊接最外側(cè)兩塊墊板，形成具有較強(qiáng)剛性的整體框形結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行內(nèi)側(cè)墊板的焊接，這種由外向內(nèi)的焊接順序，可有效減少多層并列焊道結(jié)構(gòu)焊接變形。

(3)經(jīng)過(guò)典型件試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用對(duì)稱焊接配合預(yù)置撐桿，構(gòu)造框類(lèi)結(jié)構(gòu)的方法，可將典型件三個(gè)方向的變形量相對(duì)于順序焊接減小50%以上，同時(shí)熱校形次數(shù)也減少了50%。