鈦合金電子束焊接表面殘余應(yīng)力的測試和有限元分析

劉曉佳，　林　健，　雷永平，　吳中偉，　劉　昕，　付鵬飛

(1.北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124； 2.北京航空制造研究所 高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100024)

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鈦合金電子束焊接表面殘余應(yīng)力的測試和有限元分析

劉曉佳1，林健1，雷永平1，吳中偉1，劉昕2，付鵬飛2

(1.北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124； 2.北京航空制造研究所 高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100024)

采用多束電子束流焊接Ti60鈦合金，并利用小孔法和有限元分析方法分別測試和模擬焊后殘余應(yīng)力值。對焊前預(yù)熱、焊后緩冷和焊前預(yù)熱+焊后緩冷三種焊接工藝下的殘余應(yīng)力值進(jìn)行比較，研究殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明，在垂直焊縫截面上，縱向殘余應(yīng)力σx的模擬結(jié)果與測試結(jié)果在變化趨勢上基本一致。在平行焊縫截面上，實(shí)測與模擬縱向殘余應(yīng)力σx的分布規(guī)律相似。證明了有限元模型的合理性和可靠性。采用預(yù)熱+焊接的焊接工藝對殘余應(yīng)力影響不大，采用焊接+緩冷的焊接工藝可以改變殘余應(yīng)力的分布。

Ti60鈦合金；電子束焊接；殘余應(yīng)力；有限元分析

隨著航空發(fā)動機(jī)推重比的提高，壓氣機(jī)的工作條件更為復(fù)雜和苛刻。北京航空材料研究院研制的新型600 ℃高溫鈦合金Ti60，可以滿足高性能航空發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)的服役環(huán)境要求[1]。該合金在600 ℃下具有優(yōu)異的蠕變抗力、疲勞強(qiáng)度和損傷容限性能，適用于先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)600 ℃以下服役的高壓段部件，如渦輪盤、葉片、整體葉盤等[2]。

Ti60鈦合金整體葉盤間的焊接質(zhì)量要求很高，真空電子束焊接(Electron Beam Welding, EBW)由于具有能量密度高、焊縫和熱影響區(qū)窄、焊接變形小、工藝參數(shù)容易控制及真空焊接環(huán)境等優(yōu)勢，通常成為鈦合金焊接方法的首選[3-6]。電子束焊接的加熱方式為獨(dú)特的高能流沖擊方式，雖然構(gòu)件變形范圍小，但焊接殘余應(yīng)力由于溫度梯度大而可能達(dá)到很大的數(shù)值[7-8]，會降低焊接構(gòu)件的剛性和尺寸穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響焊接接頭的疲勞強(qiáng)度、抗脆斷及抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力[9-10]。因此需要探究不同焊接工藝，研究電子束焊接接頭殘余應(yīng)力的分布規(guī)律[11]，分析獲得降低焊接殘余應(yīng)力的焊接工藝。

小孔法是測量殘余應(yīng)力的一種較為成熟和可靠的方法，其測量精度高，對結(jié)構(gòu)破壞性小，操作簡單方便[12]。胡美娟等[13]進(jìn)行了12 mm厚鈦合金板電子束焊接溫度場與應(yīng)力場的有限元數(shù)值模擬，并將模擬得到的結(jié)果與小孔釋放法實(shí)驗檢測的殘余應(yīng)力進(jìn)行對比，結(jié)果表明計算結(jié)果與檢測的殘余應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。付鵬飛等[14]采用小孔法對電子束焊接GH536合金試板的殘余應(yīng)力分布趨勢進(jìn)行測試研究，表明焊縫區(qū)存在較低的應(yīng)力峰值。Zhao等[15]研究了多光束同時以不同的熱輸入對材料不同的位置進(jìn)行加工，研究結(jié)果證明利用多束電子束焊接技術(shù)能夠減小接頭的殘余應(yīng)力。Stone等[16]采用有限元分析方法對9 mm厚鎳基高強(qiáng)合金平板電子束焊接過程進(jìn)行了三維模擬計算，結(jié)果表明縱向殘余應(yīng)力的模擬結(jié)果同實(shí)驗結(jié)果有良好的一致性，橫向殘余應(yīng)力的差別較大。

上述研究只是進(jìn)行了片面的實(shí)驗測量或者有限元模擬，由于受實(shí)驗工作量大的影響，沒有把兩者結(jié)果進(jìn)行比較分析，進(jìn)而指導(dǎo)其焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化。因此，本工作研究了Ti60鈦合金電子束焊接殘余應(yīng)力的小孔法測試和ABAQUS模擬結(jié)果，比較和分析了采用三種焊接工藝焊后殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，提出了比較合理的焊接工藝方案。

1　實(shí)驗材料和方法

1.1實(shí)驗材料

Ti60鈦合金的化學(xué)成分見表1。

表1　Ti60鈦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

鈦合金平板電子束焊接接頭的外形尺寸及焊接參數(shù)如圖1所示。平板的尺寸為200 mm×200 mm×12 mm，焊接速率為1.2 m/min，焊接方向如圖1所示。

圖1　Ti60鈦合金平板電子束焊接接頭外形尺寸示意圖Fig.1　　　　Shape size of the electron beam welding joint ofTi60 titanium alloy plate

1.2鈦合金電子束焊的規(guī)范參數(shù)

鈦合金平板電子束焊接分為以下三種工藝：(1)預(yù)熱+焊接(A)，即先對焊接的前方金屬進(jìn)行電子束輔助加熱預(yù)熱，然后進(jìn)行電子束焊接；(2)焊接+緩冷(B)，即先進(jìn)行電子束焊接，然后在焊接電子束后方進(jìn)行電子束輔助加熱，以起到對焊縫金屬緩冷的效果；(3)預(yù)熱+焊接+緩冷(C)，即先對焊接電子束的前方金屬進(jìn)行電子束輔助加熱預(yù)熱，然后進(jìn)行電子束焊接，最后在焊接電子束后方進(jìn)行電子束輔助加熱。

經(jīng)過工藝探究，電子束焊接Ti60鈦合金的工藝參數(shù)如表2所示。

表2　Ti60鈦合金電子束焊接的工藝參數(shù)

1.3小孔法殘余應(yīng)力測試和有限元分析

1.3.1小孔法殘余應(yīng)力測試方法

鈦合金平板電子束焊接接頭的表面殘余應(yīng)力測量方案如圖2所示。在試板的焊接面上，沿著垂直焊縫中心線和平行焊縫中心線的兩條測量線布置測量點(diǎn)。

圖2　鈦合金電子束焊接接頭的表面殘余應(yīng)力測點(diǎn)布置方案Fig.2　　　　Test point arrangement of the surface residual stress for the titanium alloy

采用小孔法測量試板上的焊接殘余應(yīng)力；采用型號為TJ120-1.5-φ1.5型三向應(yīng)變花，應(yīng)變片的分布角度為0°，90°和225°；采用XL2101C型程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測量應(yīng)變片上的應(yīng)變變化值，其測量精度為1 μm。

在試板上鉆取尺寸為φ1.5 mm×2 mm的小孔。假設(shè)表面殘余應(yīng)力處于平面應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)鉆盲孔后三個方向上的應(yīng)變釋放量來推算試板上的殘余應(yīng)力數(shù)值，殘余應(yīng)力的推算公式如式(1)所示[17]：

(1)

式中：σ1為第一主應(yīng)力；σ2為第二主應(yīng)力；θ為第一主應(yīng)力σ1與0°應(yīng)變片的夾角；A,B為常數(shù)，與材料的彈性模量、泊松比和應(yīng)變片的尺寸有關(guān)：

(2)

式中：d為應(yīng)變片圓環(huán)直徑；d0為鉆孔直徑；E為材料的彈性模量，對于鈦合金，取值為121 GPa；ν為材料的泊松比，取值為0.29。

1.3.2鈦合金電子束焊接接頭的有限元分析

采用商用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行鈦合金電子束焊接過程的有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)[18];采用順序耦合的方法進(jìn)行殘余應(yīng)力分析，即先采用傳熱模型分析鈦合金電子束焊接過程的溫度場分布，然后再將溫度場分析結(jié)果作為初始條件加載在應(yīng)力分析模型上，從而得到鈦合金平板電子束焊接引起的殘余應(yīng)力場分布。

2　結(jié)果與分析

2.1三種焊接工藝殘余應(yīng)力測量結(jié)果

比較三種焊接工藝下的殘余應(yīng)力分布，其結(jié)果如

圖3所示。由圖3(a)，(b)可見，在三種焊接工藝下，焊縫附近金屬的殘余應(yīng)力值較高，縱向殘余應(yīng)力σx和橫向殘余應(yīng)力σy均為殘余拉應(yīng)力，縱向殘余應(yīng)力σx的數(shù)值與材料的屈服極限相當(dāng)，高達(dá)1000 MPa左右。而在距離焊縫中心線5 mm以上時，縱向殘余應(yīng)力σx值急劇下降，降至200 MPa以下。由圖3(c)，(d)可見，在三種焊接工藝下，距離焊縫中心線5 mm(y= 5 mm)處，縱向殘余應(yīng)力σx為數(shù)值較大的拉應(yīng)力，其數(shù)值與材料的屈服極限相當(dāng)，在焊縫的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)區(qū)域(即除去焊縫的起弧區(qū)和收弧區(qū)，焊縫的中點(diǎn)附近區(qū)域)，數(shù)值較為穩(wěn)定，符合焊接的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)區(qū)域分布特點(diǎn)。橫向殘余應(yīng)力σy的數(shù)值略小于縱向殘余應(yīng)力σx。

圖3　　　　三種焊接工藝下焊接殘余應(yīng)力分布的比較　(a) 縱向殘余應(yīng)力σx在垂直焊縫測量線上的分布；(b)橫向殘余應(yīng)力σy在垂直焊縫測量線上的分布;(c) 縱向殘余應(yīng)力σx在平行焊縫測量線上的分布；(d) 橫向殘余應(yīng)力σy在平行焊縫測量線上的分布Fig.3　　　　Distribution comparison of the welding residual stress under three kinds of welding processes　(a) distribution of longitudinal residual stress σx in the vertical weld line;(b) distribution of transverse residual stress σy in the vertical weld line;(c) distribution of longitudinal residual stress σx in the parallel weld line;(d) distribution of transverse residual stress σy in the parallel weld line

2.2三種焊接工藝下的有限元分析結(jié)果

圖4為三種焊接工藝下的殘余應(yīng)力數(shù)值模擬的結(jié)果比較圖。由圖4可見，三種焊接工藝條件下，在試板焊接面的殘余應(yīng)力分布結(jié)果差別不大,縱向殘余應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在距中心線約5 mm處。采用先焊接后緩冷的焊接工藝，縱向殘余應(yīng)力的數(shù)值較低。而預(yù)熱+焊接和預(yù)熱+焊接+緩冷焊接工藝引起的縱向殘余應(yīng)力數(shù)值差別較小，這個變化趨勢與殘余應(yīng)力的測量結(jié)果相似。

圖4　　　　三種焊接工藝下的殘余應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果比較　(a) 垂直焊縫截面縱向殘余應(yīng)力σx； 　　　(b) 平行焊縫截面縱向殘余應(yīng)力σxFig.4　　　　Comparison of numerical results under three kinds of welding processes　(a) distribution of longitudinal residualstress σx in the vertical weld line;(b)distribution of longitudinal residual stress σxin the parallel weld line

2.3數(shù)值模擬結(jié)果與測試結(jié)果之間的比較

在垂直焊縫截面上，數(shù)值分析與測試結(jié)果的比

較如圖5(a),(b)所示，在平行焊縫截面上的比較結(jié)果如圖6所示。由圖5(a)可見，在垂直焊縫截面上，縱向殘余應(yīng)力σx的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗測試結(jié)果在變化趨勢上基本一致：均是在焊縫中心線附近，縱向殘余應(yīng)力σx數(shù)值較大，接近材料屈服極限的拉應(yīng)力；數(shù)值較大的殘余拉應(yīng)力區(qū)域?qū)τ谌N焊接工藝而言，存在一定的差異，這與接頭的焊縫形狀尺寸有關(guān)。

圖5　　　　三種焊接工藝下的數(shù)值分析與實(shí)驗測試結(jié)果比較(垂直焊縫截面)　(a)縱向殘余應(yīng)力σx;(b)橫向殘余應(yīng)力σyFig.5　　　　Comparison of numerical simulation and test results under three kinds of welding processes in the vertical weld line(a) distribution of longitudinal residual stress σx in the vertical weld line;(b) distribution of transverse residual stress σy in the vertical weld line

圖6　　　　三種焊接工藝下的數(shù)值分析與實(shí)驗測試結(jié)果比較(平行焊縫截面)Fig.6　　　　Comparison of numerical simulation and test results under three kinds of welding processes in the parallel weld line

圖5(b)中橫向殘余應(yīng)力σy的結(jié)果也存在同樣問題，但是由于σy的測試結(jié)果相對于σx而言較小，因此差別更為明顯。平行焊縫截面上，由圖6的比較結(jié)果可知，平行焊縫截面的縱向殘余應(yīng)力σx的分布規(guī)律與圖5(a)相似；但是具體數(shù)值上還存在一定差異，在預(yù)熱+焊接工藝條件下，由于焊縫形狀不均勻，實(shí)驗測試的結(jié)果存在一定波動。

3　結(jié)論

(1)通過小孔法測試實(shí)驗結(jié)果表明，在三種電子束焊接工藝下，殘余應(yīng)力分布規(guī)律相似：在垂直焊縫中心線上，縱向殘余應(yīng)力σx和橫向殘余應(yīng)力σy均為殘余拉應(yīng)力，且在焊縫附近金屬縱向殘余應(yīng)力σx的數(shù)值與材料的屈服極限相當(dāng)；在平行焊縫中心線上，縱向殘余應(yīng)力σx為數(shù)值較大的拉應(yīng)力，其數(shù)值與材料的屈服極限相當(dāng)，而橫向殘余應(yīng)力σy的數(shù)值略小于縱向殘余應(yīng)力σx。

(2)根據(jù)電子束焊接接頭的形狀和尺寸，考慮焊接過程中的溫度場而建立的有限元數(shù)值模型分析和驗證鈦合金板面測試的殘余應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗測試結(jié)果在變化趨勢上基本一致。

(3)采用預(yù)熱+焊接的焊接工藝對殘余應(yīng)力影響不大，采用焊接+緩冷的焊接工藝可以改變焊接殘余應(yīng)力的分布。

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Residual Stress Test and Finite Element Analysis of Titanium Alloy Surface Obtained by Electron Beam Welding

LIU Xiaojia1,LIN Jian1，LEI Yongping1,WU Zhongwei1,LIU Xin2,FU Pengfei2

(1.College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2.Key Laboratory of High Energy Density Beam Processing Technology, Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024, China)

Ti60 titanium alloy plates were welded by electron beam,and the welding residual stress was tested and simulated by the residual stress tester and finite element analysis. The comparison of the residual stress values caused in the three kinds of welding processes of pre-heating, slow cooling and both pre-heating and slow cooling was carried out. The residual stress distribution law was also studied. Results show that in the vertical welding section, the longitudinal welding residual stress tested is similar to that simulated as to the change trend; in the parallel welding section, the distributions of the tested and simulated longitudinal welding residual stress are similar. These prove that the finite element analysis is reasonable and reliable. The process of pre-heating has little influence on the welding residual stress, but the slow cooling process can change its distribution.

Ti60 titanium alloy;electron beam welding;residual stress;finite element analysis

(責(zé)任編輯：齊書涵)

2015-12-21；

2015-12-30

國家自然科學(xué)基金資助項目(51005004和51275006)；北京市自然科學(xué)基金資助項目(3132006)；北京市教委科研面上項目 (KM2012100050010)

林健(1979—)，男，博士，副教授，主要從事汽車車身的輕量化方面的研究，(E-mail)linjian@bjut.edu.cn。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.4.005

TG404

A

1005-5053(2016)04-0035-06