数值计算模拟工艺参数对电子束焊接残余应力的影响

电子束焊接残余应力的实测需要花费大量成本,因此采用数值模拟其焊接残余应力的大小和分布具有重要意义.利用三维有限元分析程序,建立了TC4钛合金板电子束焊接温度场和残余应力场的有限元分析模型,着重分析了高压和中压两种工艺参数对其接头焊接残余应力的影响.旨在探讨不同工艺参数对电子束焊接过程的影响规律,从而优化工艺,降低成本.计算结果表明,采用中压参数焊接的电子束焊接接头残余应力的峰值比采用高压参数的接头残余应力峰值高;而且其残余应力分布更集中于焊接接头中段.     

核电厂控制棒导向筒半方管真空电子束焊接的试验研究

百万千瓦级核电站控制棒导向筒中半方管采用真空电子束进行焊接.本文制定了合理的试验方案,对真空电子束焊接的热循环曲线与焊缝及附近区域残余应力的分布进行了试验测量,并分析了其热循环与残余应力的特征,为更好的控制焊接质量与制造精度提供依据.     

钛合金电子束焊接和局部热处理后残余应力分布特征

采用小孔法测定了14.5mm厚TC4钛合金平板电子束焊接,研究了电子束焊接和局部热处理集成加工工艺下残余应力的分布,分析了局部热处理对焊接接头残余应力分布特征的影响.结果表明,在实验条件下电子束局部热处理后纵向残余拉应力的分布区间由焊接状态下焊缝中心线两侧距焊缝中心线5mm的区域减小到2mm的区域,纵向残余拉应力峰值同焊接状态相比降低了76%,横向残余压应力峰值降低了65%.电子束局部热处理未扫描的母材区域,残余应力数值同焊接状态相比几乎没有变化.     

局部热处理改善TC21钛合金板电子束焊接残余应力研究

针对TC21钛合金电子束焊接接头残余应力过大问题,通过局部热处理工艺来改善其分布,分别采用X射线检测法和小孔法两种方法对电子束局部热处理后焊接残余应力的分布进行了测试研究。试验结果表明:两种测试方法测试结果趋势相同。焊后焊缝区残余应力较大,横向残余拉应力最高达到736 MPa,纵向残余压应力最高达到-468MPa,而经电子束局部热处理后,焊缝区横向及纵向残余应力峰值同焊接态相比都降低了70%~75%,而母材区域由于焊接态时残余应力较小,经过局部热处理扫描和未经过局部热处理扫描的区域残余应力几乎没有变化。     

航空发动机机匣焊接模拟与残余应力控制

利用有限元软件SYSWELD模拟航空发动机机匣部件的焊接过程和焊后局部热处理过程,研究焊后局部热处理对焊接残余应力的影响。结果表明:复合热源模型"双椭球热源+3D高斯体热源"模拟出的椭圆波扫描电子束焊的熔池形貌和试验结果十分吻合;椭圆波扫描电子束焊温度峰值为2543℃,超过材料熔点,热处理温度峰值为1200℃,达到材料相变点;焊后局部热处理过程可使机匣的残余应力显著降低。     

航空用钛合金激光焊和TIG焊残余应力测试

钛合金是重要的航空材料。采用小孔释放法对钛合金平板激光焊接和钨极氩弧焊(TIG)残余应力进行了测试研究，分析了焊接方法及焊接热输入和焊后热处理对残余应力分布规律的影响。研究结果表明：在热影响区内，激光焊接残余应力分布规律与普通熔焊方法相似，但其分布区域较窄；与TIG焊相比，激光焊残余应力值大约低100MPa；焊后热处理能显著降低残余应力并使其分布区间平缓。     

焊后热处理对钛合金电子束焊接接头残余应力分布的影响

采用Stresstech XRD3000型X射线衍射仪检测了真空热处理前后TC4钛合金电子束焊接接头的残余应力分布情况。结果表明,真空热处理对焊接接头的残余应力分布有重要影响,采用适当热处理工艺参数可大大降低残余应力。     

电子束热处理对钛合金接头残余应力的影响

采用小孔法,测量了BT20钛合金电子束焊接接头在焊态和电子束局部热处理两种状态下残余应力的分布。结果发现,钛合金电子束焊接接头处以纵向残余应力为主;通过电子束局部热处理,使焊缝处的残余应力峰值降低了约50％;在热处理的过程中,必须采取一定的措施,在改善残余应力的同时尽量避免产生变形。     

BT20钛合金电子束焊接残余应力三维有限元数值模拟

研究钛合金电子束焊接构件残余应力的大小和分布，了解残余应力的形成机理，具有十分重要的理论和实际意义。作者利用ANSYS程序模拟了BT20钛合金电子束焊态和焊后电子束局部热处理的实际焊接温度场以及焊接接头应力场的变化和残余应力的分布。计算结果表明，钛合金薄板焊缝中心残余拉应力的峰值达到焊缝金属屈服强度σn的60％-70％；焊后电子束局部热处理可以降低焊缝中心处的拉伸残余应力值，降低约50％左右；用所建模型计算得到的数值结果规律与实测的残余应力值基本一致。     

300M钢电子束预热与焊接复合加工后的残余应力测试

采用盲孔法测量了电子束预热与焊接复合加工300M超高强度钢板的残余应力分布。结果表明,垂直于焊缝方向的纵向残余应力以拉应力为主,横向残余应力以压应力为主,焊缝中心的最大纵向和横向残余应力分别为34.3和9.2 MPa;最大残余拉应力峰值出现在母材区,其应力值约为208.3 MPa,远低于母材屈服强度。沿焊接方向残余应力变化不大,可近似认为其分布基本稳定。     

高温合金电子束焊接温度场数值模拟

根据熔池边界准则应用有限元方法对高温合金电子束焊接温度场进行了数值模拟.通过线性插值、等效代换等方式估计材料高温参数,模拟材料状态变化.针对电子束焊接特有的钉头状焊缝及其穿透深度大的特点,采用高斯面热源与柱体热源组成的组合热源模型,对焊接温度场进行分析,模拟结果与实际焊缝取得了良好的一致.获得了一定工艺条件下高温合金电子束焊接温度场的分布特征及焊接过程热循环曲线,为优化电子束焊接工艺和电子束焊接残余应力研究提供了参考.     

基于轮廓法测试镍基高温合金惯性摩擦焊接头内部残余应力

采用轮廓法(contour method)测试小直径FGH96镍基高温合金惯性摩擦焊接接头的内部环向应力。详细介绍了轮廓法测试步骤,包括试样切割、切割面轮廓测试、数据处理和有限元分析;获得了FGH96镍基高温合金惯性摩擦焊接接头内部环向应力分布全貌并分析其分布特征。测试结果表明:镍基高温合金惯性摩擦焊接接头的焊缝中心位置环向应力为非常大的拉应力,峰值拉应力为1200 MPa,达到材料室温时的屈服强度;焊缝区域(距焊缝中心±5 mm区域)近内壁区域的环向应力大于外壁区域环向应力,垂直焊缝方向的环向应力变化梯度非常大;远离焊缝区域,焊缝两侧的环向应力不对称。     

齿轮类零件电子束焊接结构的合理性分析

综述了齿轮类传动零部件采用电子束焊接加工的优越性，指出零件在不同结构尺寸、不同使用环境以及不同工艺状态下应选用与电子束焊接工艺相适应的焊缝结构，并对不同零件的焊缝接头结构形式的合理性进行了深入分析。     

Effects of welding parameters on weld shape and residual stresses in electron beam welded Ti2AlNb alloy joints

In order to estimate the residual stresses in Ti₂AlNb alloy jointed by electron beam welding (EBW), a computational approach based on finite element method was developed. Meanwhile, experiments were carried out to verify the numerical results. The comparison between the simulation results and measurements suggests that the developed computational approach has sufficient accuracy to predict the welding residual stress distributions. The results show that the central area of the fusion zone suffers tensile stresses in three directions. When the other parameters remain unchanged, the focus current has great impact on the weld shape and size, and then affects the residual stress level significantly. Moreover, the thick plate full-penetrated EBW weld suffers near 1000 MPa tensile stress of Z-direction in the center of the fusion zone. The wider weld has lower tensile stress in Z-direction, resulting in lower risk for cracking.     

Internal residual stress measurement on inertia friction welding of nickel-based superalloy

The internal residual stress in the narrow inertia friction welding (IFW) welds of FGH96 nickel-based superalloy was measured with the contour method (CM). The as-welded internal hoop and axial residual stresses were obtained after two cuts and the detailed steps of the CM measurement were described. In addition, the hole-drilling method was used to obtain the surface stress. Furthermore, the internal hoop residual stress of a FGH96 superalloy IFW specimen after post-weld heat treatment (PWHT) was also measured with the CM after a single cut. The measured results show that the peak hoop residual stress is not symmetrical about the weld centreline. Axial residual stress on the outer surface at the weld centreline is compressive stress, while tensile stress appears on the inner surface, and it varies linearly along the thickness. The peak values of hoop tensile and compressive stresses decrease dramatically after PWHT.     

TA12钛合金电子束焊接组织性能及残余应力分析

采用电子束焊接TA12钛合金薄板焊缝表面成形良好,焊缝区以马氏体组织为主,细小的稀土相呈均匀弥散分布状态;随着距焊缝距离的增加,稀土相尺寸逐渐增大,数量逐渐减少,并逐渐趋于球形,沿接头呈一定的规律性分布.小孔法残余应力测试结果表明,垂直于焊缝方向残余应力以纵向应力主,应力呈梯度分布,横向应力较低;焊缝区为纵向拉应力区,应力峰值低于其屈服强度,横向应力为较小的压应力;沿焊缝试板中心区(±20 mm范围内)焊接残余应力分布趋于稳定.     

Influence of local heat treatment on residual stresses in electron beam welding

Abstract

Electron beam welding (EBW), as a high performance welding method, is also subject to requirements of high integrity welds which particularly include residual stresses affecting distortion and fatigue behaviour. In this context multiple beam technique may provide new applications of specific thermal weld treatment. The present work introduces a promising method of local post-heating in a certain distance to the current welding location applying multiple beams for the reduction in residual stresses in EB welded sheet metals. The conducted investigations include finite element analysis (FEA) and stress measurements in the weld seam area. Using a systematic approach within the FEA decisive process parameters are optimised with reference to the achievable reduction in residual stress. All simulation results are validated by experiments applying strain gauges for the stress measurement. Both simulations and experiments revealed a considerable decrease in residual stress achievable by appropriate positioning of additional heat sources combined with the right power input and beam focusing.     

异种材料真空电子束焊接研究现状分析

真空电子束焊接具有高能量密度、束斑直径和位置精确可控,焊接残余应力小,焊缝无污染等优点,因此,电子束焊接在异种材料连接领域的应用成为近年来研究的热点,并取得了大量的研究成果,部分已经在工业生产中得到了应用.由于电子束焊接属于熔化焊接,因此在异种金属连接中也存在冶金过程带来的困难.文中对异种材料的真空电子束焊接的研究现状进行了分析,对不同类型的异种材料接头真空电子束焊接中存在的问题和解决方法进行了总结,并提出了今后异种材料真空电子束焊接的研究重点.     

难加工材料铣削残余应力研究进展

镍基高温合金、钛合金等材料具有良好的高温强度、耐热性和耐腐蚀性等优异性能,已广泛应用于航空航天领域,然而这些材料属于典型的难加工材料,其相对切削加工性能很差,且已加工表面易产生显著残余拉应力,严重影响零部件使用寿命及性能。通过适当的方法调整和控制已加工表面的残余压应力,可以明显提高零件疲劳强度和耐腐蚀性。压应力制造技术是指以获得残余压应力为目标的制造技术,是一种典型的抗疲劳方法。将超声技术与其他加工方法复合实现残余压应力的主动控制,是目前抗疲劳制造技术的主要方法之一。然而,由于受超声加工的临界速度限制,超声与高速复合加工的研究相对较少,但两者均是目前压应力制造领域高度关切的先进加工方法,如果两者能有效复合,必将使核心部件制造在保证更加优良的抗疲劳性能的同时,获取更高的效率。通过分析铣削加工、高速加工以及超声振动加工中残余应力的研究现状,提出可将高速加工和超声振动加工相结合,从而实现难加工材料的高效压应力制造。     

钛合金电子束焊接应力分析的有限元模型

建立了两种钛合金平板电子束焊接应力场的数值分析模型，针对4mm厚的TC11钛合金平板试件，计算分析不同计算模型对电子束焊接残余应力的影响。结果表明厚度为4mm的平板电子束焊接接头，在焊缝及其近缝区很窄的区域内，存在着数值接近材料屈服极限的纵向残余拉应力，而表面横向残余应力则为压应力，且残余应力在厚度上也呈不均匀分布，数值计算模型应根据研究问题的特点来选取。