一種鈦合金結(jié)構(gòu)體外板焊縫設(shè)置工藝研究

徐曦榮，劉鴻彥，朱金飛

（南京寶色股份公司，江蘇 南京 211178）

1 概述

為進(jìn)一步研究某鈦合金結(jié)構(gòu)體雙曲率外板對(duì)接焊縫與徑向加強(qiáng)筋錯(cuò)開(kāi)位置不同可能對(duì)外板產(chǎn)生的焊接應(yīng)力及變形量的影響，擬通過(guò)有限元仿真分析計(jì)算和開(kāi)展雙曲率外板焊縫試驗(yàn)件進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證及其相關(guān)檢驗(yàn)檢測(cè)工作，以確定其雙曲率外板焊縫的最佳設(shè)置方案，盡可能降低鈦合金結(jié)構(gòu)體雙曲率外板對(duì)接焊縫潛在的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

2 外板對(duì)接焊縫錯(cuò)位焊接研究方案設(shè)計(jì)

某鈦合金結(jié)構(gòu)體雙曲率外板對(duì)接焊縫焊接研究模塊選取自整個(gè)鈦合金結(jié)構(gòu)體以左右2#徑向加強(qiáng)筋向外50mm與1號(hào)、2號(hào)水平筋向外100mm范圍內(nèi)區(qū)域（具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)下圖1所示），設(shè)計(jì)雙曲率外板對(duì)接焊縫與徑向加強(qiáng)筋錯(cuò)開(kāi)位置不同而對(duì)外板產(chǎn)生的焊接應(yīng)力及變形量的影響進(jìn)行研究、評(píng)估，并通過(guò)有限元仿真計(jì)算及制作焊接試驗(yàn)件進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，以確定雙曲率外板焊縫的最佳布置方案，確保鈦合金結(jié)構(gòu)體的質(zhì)量穩(wěn)定、可靠。

3 外板對(duì)接焊縫錯(cuò)位焊接仿真計(jì)算研究

3.1 焊接幾何模型

鈦合金結(jié)構(gòu)體雙曲率外板對(duì)接焊縫錯(cuò)位焊接幾何模型（以下檢測(cè)“外板錯(cuò)位焊接幾何模型”）參見(jiàn)上圖1所示。

3.2 材料屬性與工藝參數(shù)

外板錯(cuò)位焊接幾何模型構(gòu)件，由水平、徑向加強(qiáng)筋及4mm外板焊接構(gòu)成。外板材料為鈦合金A，加強(qiáng)筋材料為鈦合金B(yǎng)，材料力學(xué)性能如下表1：

外板錯(cuò)位焊接幾何模型先焊接水平與徑向加強(qiáng)筋，然后焊接外板，最后進(jìn)行外板拼焊的裝配焊接。焊接采用TIG手工氬弧多層多道焊，第一層進(jìn)行點(diǎn)固，第二層打底，第三層進(jìn)行蓋面填充，其焊接坡口如下2圖所示：

打底焊層和蓋面焊層工藝參數(shù)如下表2所示：

圖1 鈦合金結(jié)構(gòu)體雙曲率外板對(duì)接焊縫焊接研究模塊示意圖

表1 材料力學(xué)性能

3.3 焊接仿真計(jì)算

基于visual-weld焊接仿真軟件，對(duì)外板錯(cuò)位焊接幾何模型的焊接方案進(jìn)行了有限元分析。通過(guò)對(duì)焊接過(guò)程的模擬和熱力耦合分析，獲取了其焊接溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及焊接過(guò)程完成后構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力分布，構(gòu)件殘余應(yīng)力主要分布于沿焊縫方向的焊接填充材料以及焊接熱影響區(qū)，對(duì)于焊接方案a、b、c、d、e，其最大殘余應(yīng)力分別達(dá)到了433MPa，468MPa，455MPa，398MPa，513MPa。在焊接變形量方面，主要關(guān)注沿外殼板曲面法向方向的變形，五種方案焊縫中心都存在向內(nèi)收縮，在焊縫附近取得變形量負(fù)的極小值，變形量分別為1.223mm，1.056mm，1.229mm，1.688mm，0.632mm。

圖2 焊接坡口示意圖

3.4 焊接仿真計(jì)算結(jié)論

由鈦合金結(jié)構(gòu)體雙曲率外板對(duì)接焊縫錯(cuò)位焊接仿真結(jié)果可知，焊縫位置距離徑向加強(qiáng)筋越遠(yuǎn)，構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力越小，同時(shí)其焊接變形量越大。在方案選擇方面，相較其他方案，焊縫方案e位于徑向加強(qiáng)筋上方，從控制外板曲面變形的角度出發(fā)，此焊接方案焊接變形為最優(yōu)。

表3 外板對(duì)接焊縫錯(cuò)位焊接模擬件材料表

表4 外板組裝后、焊接前凹凸度檢測(cè)數(shù)據(jù)表

表5 外板焊接后凹凸度檢測(cè)數(shù)據(jù)表

4 外板對(duì)接焊縫錯(cuò)位焊接模擬件試制

4.1 焊接模擬件方案設(shè)計(jì)

通過(guò)制作1：1外板對(duì)接焊縫錯(cuò)位焊接模擬件，分別將外板拼接焊縫設(shè)置于距離徑向加強(qiáng)筋50mm、75mm、100mm、175mm及徑向加強(qiáng)筋中間位置進(jìn)行模擬外板拼縫焊接，并在焊接前后分別測(cè)量模擬件拼焊縫處外板的變形量，以及外板拼焊縫位置處焊接后及超聲波消應(yīng)力后的焊縫殘余應(yīng)力，并對(duì)比分析以確定外板最佳對(duì)接焊縫位置。

表6 外板焊接消應(yīng)力前、后焊縫殘余應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)表

4.2 焊接模擬件結(jié)構(gòu)及材料

外板對(duì)接焊縫錯(cuò)位焊接模擬件為焊接構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)參見(jiàn)上圖1所示 ，其具體材料參見(jiàn)下表3所示 。

4.3 焊接模擬件制作

外板對(duì)接焊縫錯(cuò)位焊接模擬件按照設(shè)計(jì)圖紙完成各零部件加工后進(jìn)行組裝、焊接、無(wú)損檢測(cè)、消應(yīng)力處理及應(yīng)力檢查工作。

通過(guò)使用檢測(cè)樣板對(duì)外板對(duì)接焊縫錯(cuò)位焊接模擬件焊接前、后外板凹凸度檢測(cè)數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)焊縫置于徑向加強(qiáng)筋上時(shí)，其焊接變形最小；外板與加強(qiáng)筋焊接及外板拼縫焊接后，其變形量最大為2mm。當(dāng)焊縫置于其它位置時(shí)，距離徑向加強(qiáng)筋越遠(yuǎn)，整體焊接變形越大，當(dāng)焊縫位于兩徑向加強(qiáng)筋中間時(shí)，焊接變形量最大為7mm。具體外板焊接前、后凹凸度檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表4和表5所示。

外板對(duì)接焊縫錯(cuò)位焊接模擬件焊接后，外板對(duì)接焊縫未進(jìn)行超聲波消應(yīng)力處理時(shí)，其焊縫殘余應(yīng)力隨著焊縫錯(cuò)開(kāi)徑向加強(qiáng)筋距離的減小而逐步增大，其殘余應(yīng)力值處于320MPa～490MPa之間，即外板焊縫置于徑向加強(qiáng)筋時(shí)的焊縫殘余應(yīng)力最大，而外板焊縫置于兩根徑向加強(qiáng)筋中間的殘余應(yīng)力最小。通過(guò)對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波消應(yīng)力處理后，外板焊縫表層產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形，改變了焊縫原有的應(yīng)力場(chǎng)，消除了一半以上的焊接殘余應(yīng)力，其殘余應(yīng)力消除率在50%～75%之間。具體殘余應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)參見(jiàn)下表6所示。

4.4 焊接模擬件試制結(jié)論

根據(jù)外板對(duì)接焊縫錯(cuò)位焊接模擬件焊接前、后實(shí)際測(cè)量的外板變形數(shù)據(jù)及殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可以得出，當(dāng)將焊縫位于徑向加強(qiáng)筋上時(shí)，其焊接變形量小而其焊接殘余應(yīng)力則相對(duì)較大；當(dāng)焊縫位于其它位置時(shí)，距離徑向加強(qiáng)筋越遠(yuǎn)，外板焊縫整體焊接變形越大，焊縫殘余應(yīng)力則隨之產(chǎn)生不規(guī)則變化，但基本趨于較小狀態(tài)。通過(guò)對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波消應(yīng)力處理后，外板焊縫表層產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形，改變了焊縫原有的應(yīng)力場(chǎng)，可有效消除外板焊縫的殘余應(yīng)力。

5 結(jié)論

綜上所述，無(wú)論從有限元仿真分析計(jì)算還是焊接模擬件試制結(jié)果都可以得出，外板對(duì)接焊縫位置距離徑向加強(qiáng)筋越遠(yuǎn)，外板焊縫表面的焊接殘余應(yīng)力越小，同時(shí)其焊接變形量越大。故在方案選擇方面，相較其他四種方案，方案e焊縫位于徑向加強(qiáng)筋上方，從控制外板曲面變形角度出發(fā)，此焊縫方案焊接變形量為最小；再者，從實(shí)際焊接裝配操作角度出發(fā)，焊縫方案e更易于外板的定位組裝與對(duì)接。因此，在鈦合金結(jié)構(gòu)體外板焊縫設(shè)置方案中，外板對(duì)接焊縫位于徑向加強(qiáng)筋上方為最優(yōu)選擇。