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鈦合金薄板焊接結構在新型飛行器制造中得到了日益廣泛的應用,這是提高產品戰術和技術性能、減輕自身重量和增加承載能力的主要途徑。但是鈦合金焊接應力和變形問題十分突出,使其應用范圍受到了一定限制。隨著計算機技術的發展,有限元軟件不斷應用于焊接模擬領域,為各種工程問題的求解提供了強大的支持,并節省了大量的實驗費用。利用有限元軟件對鈦合金薄板焊接過程的溫度場與應力應變場進行模擬計算,并加入適當的實驗驗證,對于研究鈦合金焊接應力及變形規律,優化控制工藝參數和提高焊接質量都具有非常重要的現實意義。本文在這一背景下,建立了TA15鈦合金TIG平板表面堆焊、T型接頭與某型飛機壁板填絲焊的三維有限元模型,對焊接過程進行模擬分析。 對于平板結構,研究了熱源及其附近區域應力分布規律,熱源作用的前方和焊縫熱影響區受壓應力作用,熱源區域處于零力學狀態,熱源作用的后方和遠離焊縫的區域受拉應力作用,在焊縫的熱影響區內出現了殘余應力峰值。 對于T型接頭,研究了焊縫中部橫截面上各節點焊接過程應力應變變化趨勢,隨著熱源的臨近,焊縫金屬逐漸進入塑性變形狀態,熔池內金屬有負的塑性應變產生,當熱源經過后塑性變形區域有所擴大,塑性應變增加。

焊接結束后,焊縫區域的縱向殘余應力要明顯高于橫向殘余應力,縱向殘余應力峰值達到555MPa,低于鈦合金室溫時的屈服極限。利用切條法測量平板結構與T型接頭焊縫中部橫截面上的縱向殘余應力,測量結果與模擬結果相比均偏小,這與所采用的試驗方法及有限元模擬過程中的模型簡化有關。

基于T型接頭焊接過程的模擬方法,對某型飛機TA15鈦合金壁板TIG焊過程的溫度場及應力應變場進行模擬,根據企業的實際焊接情況,研究了不同焊接順序條件下焊后殘余應力分布及變形特點,為優化焊接工藝提供理論指導,結果表明采用首尾焊接方法得到的焊縫縱向殘余應力峰值較低,采用此種焊接順序加工實際構件,可以為后續工藝的順利實施提供方便。