（材料加工工程专业论文）基于fem的钛合金不等厚壁矩形管封焊工艺研究.pdf

；) 、 一 歹 n 砌i n gu i l i v e r s i t ) ，o f a e r o n a u t i c s 锄da s 仃o m 叭i c s 1 1 1 e ( h a d u a t es c h o o i c o l l e g eo fm a t e r i a ls c i e n c ea l l dt e c l l n o l o g ) r r e s e a r c ho n 1 1 7 v e l d i n g1 e c h n i c a lo f t i t a n i u m u n e q u a l t h i c k w a l l e dr e c t a n g u l a r p i p eb y f e m a t h e s i s 洫 m a t e r i a l sp r o c e s s i r 培e n g i n e e r m g b y t 觚曲i n a d v i s e d b y p r o y 础o n gw e i s u b m i 讹di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft 1 1 er e q u i r e m e n t s f o r 血ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e 血1 9 m a r c h ，2 0 1 0 _ ： 之 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：垒塑 日期：21 丝困兰! 因 獭圣籼今。 i 、 、_ 位论文 首先，根据矩形管结构的焊接性特点，设计了钛合金厚板单面1 r i g 焊工艺，针对与矩形管 壁厚相同的两种厚板进行了手工1 r i g 焊试验，得到了外观和力学性能良好的焊接接头。同时设 计了焊接热循环采集系统，在试验过程中实测到了焊接热影响区的热循环曲线。 在厚板试验的基础上，进行了钛合金厚板单面t i g 焊温度场模拟，采用生死单元技术实现 了填丝过程，采用并行计算技术提高了计算效率。得到的钛合金熔池长宽比较大，符合钛合金 热导率低的特性。经熔池边界准则和热循环曲线对比，结果表明试验结果和模拟结果吻合良好， 在厚度方向上具有挖掘作用的双椭球热源能很好的体现1 r i g 焊厚板的特点。在此基础上，提出 了多层多道焊温度场模拟的要点。 进一步根据企业实际情况，对不等厚壁矩形管多层多道封焊的典型焊接顺序和工艺方案进 行了模型简化和提取，通过f e m 模拟得到了不同条件下的温度场和应力应变场，并进行了相 应的分析和规律总结。矩形管焊后焊缝整体向内收缩，产生环焊缝束腰，转角处承受多次热循 环发生翘曲。认为矩形管焊前必须点固，在不考虑施焊难度下，点固距离较均匀的方案较优； 从中性轴两边焊缝开始施焊的焊接顺序，变形较小；内置定位芯是减小焊接变形的一种方法， 但拘束度增大会使残余应力增大。 最后利用试验和f e m 模拟结果，提出了钛合金不等厚壁矩形管单面焊双面成型的质量控 制要点，为矩形管封焊工艺措施的制定和工艺优化方案提供了理论指导。使焊接过程仿真得以 实践于真正的工程问题。 关键词：钛合金矩形管，焊接顺序优化，不等厚壁，f e m ，工艺优化，t c 4 钛合金 基于f e m 的钛合金不等厚壁矩形管封焊工艺研究 a b s t r a c t t i t 锄i 啪r e c t a i l g l l l a rt i l b e sn o to i l l yh a v ee x c e l l e n te 鹏强7a b s o r b i n gc a p a b i l i 妙，b u ta l s o a r el i g h ti n w e i g h ta n d c o n 0 s i o n r e s i s t 锄l b 举e d t l l e1 1 1 e o 巧- e x p e r i m e n t - n u m e r i c a l s i m u l a t i o m p r o d u c t i o n ”m o d e l ，l i sp a p e rc o n d u c t ss o m er e s e a r c h e so nt 1 1 ew e l d i n gp r o c e s so ft c 4 嘶e q u a l 吐l i c k - w a l l e dr e c t a i 】呜：u l a rt u b e s f i r s t l y 吐圮、e l d a b i l i 妙o fr e 比m g u l a rt u b es t r u c n 鹏i s 锄a l y z e d t h es i n 雷e - s i d e1 1 gw e l d i n g p 眦e s so f1 4t h i c kp l a l l l ( i sd e s i 印e db a s e d0 nw e l d i n gs 协d a r d s 1 1 h ep r o c e s si sa p p l i e dt o e x p e r i m e n t so n 铆ok i n d so f m i c k n e s sp l a t e sw h i c ha r et l l es 锄i l a rm i c k n 鹤s0 f 咖g u l a r t u b e s t h e c o r r e s p o n d i n gw e l d e dj o 抽t sh a v eb o t hi d e a la p p e a r a n c e 锄dm e c h a n i c a lp r o p e n i e s a tm es 锄et i m e ， a 佗a l t i m e 批a c q u i s i t i o ns y 妣mf o rw e l d i n gn l e 册a lc y c l ei sp r e s e n t e d 粕dt 1 1 e 姗a lc y c l i n go f 、e l d i i l gh e a t - a 妇奄c t e dz o n ei so b t a i n e di i le x p e r i m e 删p r o c e s s 1 1 h et i t a l l i 啪a l l o yt h i c kp l a l es i i l 出色s i d es i m u l a t i n gm o d e l i sb u i l tb 雒e do ne x p e r i m e 此 c o n e s p o n d i n gs i m u l a t i o nh 鼬b e e nc a e do u tf o rw e l d i n gt e m p e r a l l l 陀f i e l do f t 、) l r o n d so f t i t a 咀i u m t t l i c kp l a t e s t h em e t l l o d0 f 姑l l i n g0 ra c t i v a t i n ge l e m e n _ t si si l s e dt 0d e p i c t 晰r e 同l i n gw e l d i n g p a r a j l e lc o m p u 洲0 ni s 憾e dt oi m p r o 、，ec o m p u t a t i o ne 街c i e n c y n e 矗 a t u r e so ft i t a i l i 啪a l i o yw e l d p o o lw i t l ll a l l g el e 姆h w i d t l lr a t i oa g r e e sw i t t ll o w 付l e m a lc o n d u c t i v 时o ft i t 锄i u m c o m p 撕n g 廿l e b o r d 盱o fw i e l d i n gp o o la i l dt l l e n n a lc y c l i n gi ts h o w st h a tc a l c u l 砷e dv a l u h a 、，eag p o d 雄乒i e e m e n t 、) l ，i me x p m e n t a lv a l u e s 1 1 1 ev a i i d 时o ff i n 沁e l e m e n tm 0 d e l i n gi sv e r i f i e d 1 1 h ed i g g i n ga c t i o no f t l l e d o u b l e - e l l i p s o i dt l l e 珊a ls o u r c ei n 也ed i r e c t i o no f 廿l i c k n e s sc o p i e sw e l lw 曲1 cf e a t u 佗0 f w e l d i l l g l i c kp l a t eb yt i gw e l d i n g k e yp o i n t sf o rm u i t i p l a y e rw e l d i n gs i m u l a t i o na 陀p r o p o u n d e d b 鹬e do np m c t i c a ls i t u a t i o no ft l l ep r o d u c t i o ni nt l l ee n t e 】币r i ，n l es i m u l a t i n gm o d e lf o rt ) ，p i c a l w e l d i n gs e q u e n c e 觚dp r o c e 豁s c h e m ei ss i m p l i f i e d 锄d 陀f m e df o rt 1 1 et c 4u n e q u a lt l l i c k - w a j l e d r e c t a l l g u l 盯t u b e t h et e m p e 枷他f i e l d 锄ds n e s s s n 面nf i e l df o rw e l d i n gp r o c e d u 陀a 他s i m u l a t e d 觚d 锄a l y 臻db yf e m a sa l l a r o u l l dw e l 也n en 1 1 ) es h - i n k a g e 锄dh o g g i n g a tt l l ec o m e r 弱w e u l o c a l s 眦s sc o n c e n 仃a t i o na r e 舔e m e 唱e ni sb e l i e v e d 廿1 a tt h e e c 伽g u l a rt u b es h o u l dm u s tb et a c k e d t o g e 恤r b e f 0 他w e l d i n g w i u tr e g 砌t 0 恤w e l d i n gd i 伍c u l 劬t l l es c h e m eo fe v e nd i 舳锄0 n g t a c k 、e l d i n gs p o ti sb e l i e v e dt 0b es u p e r i o r t h eb e s tw e l d i n gs e q u e n c ei ss 切n u pa lt h ee 曲e rs i d eo f n e u t 肛a ) ( i s i t sam e m o d f 0 r 出铆。e 舔i n gt 1 1 ew e l d i n gd e f o 珊a t i o n sw i mp o s i t i o n i n gc o f e ，b u t r e s i d u a l s t 他s s e s 、v i l li n c r e a s eb e c a u s eo f n l er e s 灯a i l l f i n a l l y 乜l l c i n gt l l ec o n c l u s i o nd e r i v e d 肋m 廿l ee x p e r i m e n t 柚df e ms i m u l a t i o i l s o m ek e yp o i 吣 i i i 基于f e m 的钛合金不等厚壁矩形管封焊工艺研究 目录 第一章绪论j l 1 1 选题意义1 1 2 f e m 在焊接中的应用：2 1 3 矩形管研究的国内外现状4 1 4 热弹塑性理论5 1 4 1 热弹塑性分析的特点和假定5 1 4 2 热弹塑性理论6 1 4 3 耦合问题。7 1 5 本课题主要研究内容8 第二章钛合金厚板单面t i g 焊工艺试验9 2 1 焊接性分析9 2 1 1 矩形管焊接性分析9 2 1 2t 4 厚板单面t i g 焊接性分析9 2 2 试验设计与准备l o 2 2 1 试验材料10 2 2 2 坡口设计o l l 2 2 3 焊前清理l l 2 2 4 焊接工艺参数。12 2 2 5 焊接热循环采集系统设计1 2 2 3 试验结果及分析1 4 2 3 1 焊缝外观检测1 4 2 3 2 焊缝微观组织分析1 5 2 3 3 焊缝拉伸性能18 2 3 4 硬度测试2 0 2 4 本章小结。2 l 第三章钛合金厚板温度场模拟与热源校正2 2 。 3 1 有限元模型的建立2 2 3 1 1 有限元网格的划分2 2 3 1 2 材料物性参数与高温性能参数处理2 3 l v 南京航空航天大学硕士学位论文 3 1 3 相变潜热2 5 3 1 4 热源的选取二。2 5 3 1 5 初始条件与边界条件2 6 3 2 生死单元技术与并行计算技术。2 6 3 2 1 生死单元技术2 6 3 2 2 并行计算技术2 7 3 3 多层多道焊温度场模拟结果分析2 7 3 3 1 多层多道数值模拟结果2 7 3 3 2 热源校正3l 3 4 本章小结3 3 第四章有限元建模与矩形管变形规律分析3 4 4 1 矩形管模型建立及难点处理3 4 4 2 矩形管封焊温度场计算结果分析3 7 4 3 矩形管封焊整体变形与残余应力分布规律i 3 9 4 3 1 矩形管封焊整体变形规律3 9 4 - 3 2 矩形管封焊残余应力形成与分布规律4 l 4 4 本章小结。4 6 第五章焊接顺序对矩形管应力应变的影响4 7 5 1 焊接顺序表示及模拟方案4 7 5 2 打底焊焊接顺序对框架变形和应力的影响。4 8 5 2 1 焊接变形计算结果及分析4 8 5 2 2 焊接残余应力计算结果及分析5 4 5 3 矩形管多层多道焊焊接顺序分析5 8 5 3 1 焊接变形计算结果及分析5 8 5 3 2 焊接残余应力计算结果及分析6 0 5 4 本章小结：6 0 第六章不同工艺方案矩形管焊接变形分析6 2 6 1 点固对矩形管焊接变形和应力的影响6 2 6 1 1 模拟方案与实现6 2 6 1 2 矩形管无点固时的焊接变形过程6 3 6 1 3 不同点固方案模拟结果分析6 4 6 2 内置刚体对矩形管焊接变形和应力的影响6 6 6 2 1 模拟方案与实现6 6 v 基于f e m 的钛合金不等厚壁矩形管封焊工艺研究 6 2 2 模拟结果分析6 7 6 - 3 矩形管焊接质量控制要点。6 9 6 4 本章小结7 0 第七章结论71 7 1 结论71 7 2 展望7 2 参考文献。7 3 致谢7 7 在学期间的研究成果及发表的学术论文。7 8 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图清单 图1 1 不同尺寸的矩形管。l 图1 2 飞机壁板焊接变形模拟结果3 图1 3 大型箱型梁有限元网格划分4 图1 4 温度、应力、组织三者之间的耦合关系8 图2 1 焊接板材示意图10 图2 2 坡口尺寸图。1 1 图2 3 熟电偶安装方法l3 图2 4 焊接熟循环采集系统原理图1 4 图2 5 焊接熟循环采集系统设备l4 图2 6 焊后实物图1 5 图2 7 焊缝宏观图片1 5 图2 8 焊缝各区域金相照片1 7 图2 9 焊缝中的未熔合现象l8 图2 1 0 拉伸试样尺寸1 8 图2 1 1 拉伸试样实物图。l8 图2 1 2 拉伸试样断口。1 9 图2 137 咖板t i g 焊焊接接头硬度分布2 0 图2 1 41 2 m m 板t i g 焊焊接接头硬度分布2 0 图3 1 工件三维模型2 2 图3 2 厚板网格处理一2 3 图3 3t c 4 物性参数处理2 4 图3 4 双椭球热源分布函数2 5 图3 57 m m 板焊接不同时刻的温度场分布云图2 7 图3 61 2 i n m 板焊接不同时刻的温度场分布云图。2 8 图3 77 咖板盖面焊时温度场分布截面图2 9 图3 81 2 m m 板盖面焊时温度场分布截面图。2 9 图3 9 焊缝金属单元熔透的模拟3 0 图3 1 0 多层焊之间熔合的模拟3 0 图3 1 l 平板距焊缝中心距离不同点计算热循环曲线3 0 图3 1 27 舢板焊缝宏观图片3l v 基于f e m 的钛合金不等厚壁矩形管封焊工艺研究 图3 1 31 2 m m 板焊缝宏观图片3 l 图3 1 47 m m 板背面熔宽3l 图3 1 57 姗板表面熔宽3 l 图3 1612 彻板背面熔宽。3 2 图3 1 71 2 m m 板表面熔宽。3 2 图3 1 87 r n m 板材模拟与试验结果比较3 2 图3 1 91 2 咖板材模拟与试验结果比较3 2 图4 1 矩形框实体建模3 4 图4 2 网格划分思想示意图3 5 图4 3 矩形管有限元网格。3 6 图4 4 矩形管封焊不同时刻温度场云图3 7 图4 5 矩形管封焊不同点热循环曲线3 8 图4 6 打底焊矩形管z 向变形3 9 图4 7 矩形管z 向变形云图4 0 图4 8 横向路径示意图4 0 图4 9 横向变形沿横向路径分布曲线4 0 图4 1 0 厚度方向变形沿横向分布曲线4 l 图4 1 l 焊接第5 0 s ，等效残余应力分布云图4 1 图4 12 焊接第5 0 s ，y 向应力分布图4 2 图4 1 3 打底焊冷却到室温塑性变形云图。4 2 图4 1 4 打底焊冷却到室温残余应力分布云图4 3 图4 15 打底焊完冷却到室温后x 向应力分布。4 3 图4 1 6 打底焊完冷却到室温y 向应力分布4 3 图4 1 7 打底焊完冷却到室温z 向应力分布4 4 图4 18 矩形管封焊结束后的、，o nm i s e s 分布4 4 图4 1 9 y 向应力最终分布云图4 5 图4 2 0z 向应力最终分布云图4 5 图5 1 矩形管横截面焊缝分布示意图4 7 图5 2 矩形管环向路径示意图。5 0 图5 3 顺序焊各焊接顺序环向路径上z 向变形对比51 图5 4 对称焊各焊接顺序环向路径上z 向变形对比5l 图5 5 半面焊各焊接顺序环向路径上z 向变形5l 图5 6 顺序焊各焊接顺序环向路径上x 向变形5 3 图5 7 对称焊各焊接顺序环向路径上x 向变形分布5 3 图5 8 半面焊各焊接顺序环向路径上x 向变形分布5 3 v h i 图6 4 不同点固方案z 向变形沿纵向路径对比6 5 图6 5 不同点固方案应力峰值沿纵向路径分布对比6 6 图6 6 不同约束方式z 向变形纵向路径分布6 8 图6 7 不同约束方式v r o nm i 9 路沿纵向路径对比。6 8 表清单 表2 11 4 板材化学成分ll 表2 2t c 4 板材力学性能1 1 表2 31 2 衄板焊接工艺参数1 2 表2 4 室温拉伸试验结果1 9 表4 1 网格划分思想比较3 5 表5 1 顺序焊不同焊接顺序z 向变形计算结果4 9 表5 2 对称焊不同焊接顺序z 向变形计算结果4 9 表5 3 半面焊不同焊接顺序z 向变形计算结果5 0 表5 4 顺序焊不同焊接顺序的应力峰值计算结果5 5 表5 5 对称焊不同焊接顺序的应力峰值计算结果5 5 表5 6 对称焊不同焊接顺序的应力峰值计算结果5 6 表5 7 两层焊接顺序相同的z 向变形峰值比较。5 8 表5 8 两层焊接顺序不同的z 向变形峰值比较5 9 表5 9 两层焊接顺序相同的残余应力峰值比较6 0 表5 1 0 两层焊接顺序不同的残余应力峰值比较6 0 表6 1 两种点固方案z 向变形峰值计算值6 4 表6 2 两种点固方案计算v r o nm i s e s 峰值。6 5 表6 3 不同拘束方式模拟实现优缺点比较6 7 表6 4 不同拘束方式z 向变形比较6 7 表6 5 不同焊接顺序的两种约束方式的应力峰值比较6 8 基于f e m 的钛合金不等厚壁矩形管封焊工艺研究 x 注释表 弹性或弹塑性矩阵 臼万p 与温度有关的向量 拈 线膨胀系数 q 温度 l i 屈服函数 u 与温度和塑性应变有关的屈服i 塑性应变增量 力，z 单元节点的增量研 单元初应变等效节点增量刃 节点位移增量 6 单元刚度矩阵 c 单元应变增量 单元位移增量 单元的应力增量 有效功率 焊接热效率 焊接电压 焊接电流 熔池前后分配指数 前椭球长度 后椭球长度 椭球宽度 椭球深度 d c a t f 6时鼢 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题意义 矩形管是用途极广和最常见的异性管，也是一种经济断面管材，与相同截面积的其他非圆 管相比，具有重量轻、强度高、抗弯截面模量大，节省金属，易于安装等优点。在建筑、医疗 器械、高档家具、飞机、汽车、地铁、造船等行业有着广泛的应用【1 1 。金属矩形管破坏形式稳 定，作为结构部件使用，不仅具有高刚度和强度，还具有很轻的质量，在受到轴向冲击载荷作 用时有很强的能量吸收能力，可以用来控制动态冲撞时的能量吸收【2 l 。图1 1 为不同尺寸矩形 管实物图。 图1 1 不同尺寸的矩形管 t c 4 ( n 石a l - 4 v ) 钛合金是于1 9 5 4 年首先研制成功的等轴马氏体型两相合金，该合金具 有优异的综合性能，现在已经发展成为世界各国通用的钛合金。目前所有钛合金产品中的6 0 为1 4 ，在飞机结构中钛合金用量中约占8 0 左右。该合金长时间工作温度可达4 0 0 ，热稳 定性好，焊接接头强度可达基体金属强度的9 0 【4 】。 t c 4 矩形管不仅具有矩形管能量吸收方面的结构特点，而且其重量更轻，耐腐蚀能力更强。 钛合金矩形管在国内早已有应用，1 9 9 4 年，宝鸡有色金属加工厂就根据航空部门需要，用t c 4 替换耐蚀钢研制开发了t c 4 无缝矩形管，该产品用于制作飞机某部位的一个承受拉力的构件， 其耐蚀性大大提高，使飞机沿海飞行更加安全可靠。 由于实际使用的要求，需要将两根相同的不等厚壁的钛合金矩形管封焊为一个整体使用。 对于钛合金壁厚不等的矩形管，焊接难度很大，焊接顺序或工艺措施不当会造成较大的焊接应 力和焊接变形。在研究钛合金矩形管封焊生产技术时，矩形管焊接会不会如同圆管焊接时产生 不易返修矫正且降低焊缝承载能力的角变形，会不会产生较严重的束腰现象等都是实际生产中 关心的问题。但国内外都没有相关的报道和经验供借鉴，矩形管封焊问题不解决，一定程度上 基于f e m 的钛合金不等厚壁矩形管封焊工艺研究 限制了其工程化应用。如何在钛合金不等厚壁矩形管焊接过程中减小和控制焊接变形和焊接残 余应力，是一个亟待解决的工程问题。 然而矩形管的封焊问题非常复杂，单纯采用理论方法很难准确地解决。在以前往往采用以 经验为基础，试验手段作为基本方法，其模式为“理论试验生产”，但大量的焊接试验增加了 生产的成本，且费时费力。随着计算机软硬件技术的快速发展，焊接数值模拟技术的出现为焊 接生产朝“理论试验数值模拟生产”模式的发展创造了条件。通过数值模拟对矩形管焊接残余 应力和焊接变形进行预报和分析，不但可以节约减少试验和生产成本，且周期很短【g l 。 利用数值模拟对不等厚壁的封焊工艺进行研究。一方面分析和观察钛合金应力和变形分布 的特点和区域，针对性的采取各种技术措施，改善其分布特性，提高焊接结构或接头的承载能 力，延长使用寿命，预防失效事故。另一方面科学地掌握矩形管焊接变形规律，为此典型结构 的焊接和设计提供理论指导。综上所述，本研究对于矩形管焊接结构的完整性设计和制造工艺 方法的选择以及运行中的安全评定具有重要的理论与工程意义。 1 2f e m 在焊接中的应用 f e m ( n n i t ee l e m e n tm e t l l o d ) 有限单元法是一种高效能、常用的计算方法，是以变分原理为 基础发展起来的，广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中。焊接数值 模拟过程中对焊接变形和应力数值分析的研究，内容十分丰富，发展迅猛。特别是进入9 0 年代 以来，随着计算机性能的提高，对焊接应力应变的研究也越来越深入，取得的成果也越来越显 著。 1 9 9 1 年m a h i i l 等人在研究中考虑了耦合的热应力问题，其中热源分布采用试验矫正的方法 进行处理，同时考虑熔池对流、辐射及传热对温度分布的影响，其残余应力的计算结果与采用 中子衍射测得的结果吻合很好。t i n o u e 等研究了伴有相变的温度变化过程中，温度、相变、热 应力三者之间的耦合效应，并提出了在考虑耦合效应的条件下本构方程的一般形式1 1 0 】。 1 9 9 2 年加拿大的c h 饥等人对厚板表面重熔时的应力应变进行了有限元计算，其中考虑了 熔化潜热及凝固过程中固液相转变过渡区应力的变化，其残余应力计算值和试验值相当吻合。 美国的s l l i m 等人利用平面应变热弹塑性有限元法计算了厚板多层焊的残余应力，并对不同坡 口形状的焊接残余应力进行了比较，揭示了厚板残余应力的分布规律。 1 9 9 3 年，加拿大的c h i d i 孔等人研究了厚板焊接过程的应力应变及残余应力的分布其中涉 及了三维加热模型，并考虑了显微组织的变化和晶体生长等情况。加拿大的g o i d a k j 教授等在 焊接温度场和电阻焊焊点应力数值模拟进行了研究，提出了将从熔点到室温分别用不同的应力 应变本构方程来处理，在温度低于0 5 熔点时采用通常的弹塑性模型，当温度从o 5 到0 8 熔点 时采用与应变速率有关的弹一粘塑性模型，而当温度超过0 8 熔点时采用线性粘塑性模型【l l 】。 2 0 0 0 年，日本投人2 0 亿日元开展高效与高可靠性焊接技术课题的研发，其最初的研究计 2 南京航空航天大学硕士学位论文 划就是建立运动g 融l w 焊接电弧作用下流体流动与传热模型【1 2 】。 近年来，随着焊接温度场、应力应变过程的深入研究，有限元技术的发展与应用，以及计 算机技术的突飞猛进，目前在进行有限元分析时已经有了不少优秀的计算分析软件，如： a n s y s ，a b a q u s ，a d i n a ，n a s l l r a n ，m a r c ，s y s w b l d 等可供焊接工作者选用。因而， 焊接工作者已经无需自己从头编制分析软件，可以利用上述商业化软件，必要时加上二次开发， 即可以得到需要的结果，这就明显地加速了焊接模拟技术发展的进程。使焊接过程仿真得以实 践于真正的工程问题，并取得了丰硕的成果。 2 0 01 年清华大学机械工程系对三峡工程用特大型桥式起重机主梁焊接变形进行计算和控制 【阚。2 0 0 6 年，哈工大傅卫1 1 7 】利用m s c m a i 对导弹油箱进行了焊接顺序的优化。2 0 0 6 年重庆 大学的用锄s y s 对1 5 c r m o r 钢厚壁压力容器焊接工艺研究，比较了焊接电流，焊接电压以及焊后 热处理，提出了焊接优化方案【1 8 】。2 0 0 7 年哈工大董志波，于澜，魏艳红利用m s c m 虹对t a 1 5 钛合金飞机壁板进行焊接优化，并取得了很好的应用效果【1 9 1 ，图1 2 所示为模拟得到的飞机壁 板焊接变形情况。2 0 0 7 年，大连交通大学的王成强用m s c m a r c 软件对焊接构架侧梁进行热弹 塑性有限元分析，通过改变焊接顺序来对侧梁变形进行数值模拟研究，找到焊接顺序对侧梁变 形的影响规律，进而通过对焊后残余变形的比较，提出了焊接构架侧梁焊接顺序的优化方案【2 0 】。 图1 2 飞机壁板焊接变形模拟结果 如上所述，焊接数值模拟技术的发展使焊接技术正在发生着由经验到科学、由定性到定量 的飞跃。在计算机技术日益发展的今天，数值模拟技术已经渗透到焊接的各个领域，在航空航 天、军工、能源、动力等领域，关键部件焊接过程仿真技术的实现，对于优化工艺过程，提高 产品质量和消除安全隐患起着日益重要，甚至不可替代的作用。可以预见。计算机分析、数值 模拟、自动化控制技术等在未来将广泛应用于焊接领域。计算机技术的迅速发展和对焊接过程 的逐步深人了解将极大地提高焊接数值模拟的计算速度和精度，而焊接数值模拟技术也必将有 更广阔的发展前景，从而推动航空航天、机械制造等领域的科学化、现代化、自动化进程。 3 基于f e m 的钛合金不等厚壁矩形管封焊工艺研究 1 3 矩形管研究的国内外现状 随着各种类型、各种材料矩形管的生产和在各个领域的广泛应用，关于矩形管的应用、生 产工艺以及性能的研究都逐渐成为国内外研究的热点。 1 9 9 0 年，同济大学的沈祖炎，在非线性有限元的基础上，提出了一个分析等宽度十型和x 型方管节点腹板失稳破坏时极限承载力的“等效框筒模型”唿】。 1 9 9 3 年，秦旭东采用手工钨极氩弧焊代替钎焊将紫铜管与不锈钢管通过定位芯棒对接焊在 一起，得到了较好的焊接质量，焊后长期使用焊口不脱落啦3 1 。 ， 1 9 9 4 年，宝鸡有色金属加工厂根据航空部门需要，用t c 4 替换耐蚀钢研制开发了t c 4 无缝 矩形管，该产品用于制作飞机某部位的一个承受拉力的构件，其耐蚀性大大提高，使飞机沿海 飞行更加安全可靠。 1 9 9 5 年，日本研究出一种方管外轧成型新工艺。利用该工艺生产方管不受成型辊的限制， 传动系统没有能量损失，机构简单，能够小批量灵活的生产精度高，质量好的方管，在生产上 得到了巨大应用曙钔。 1 9 9 9 年，清华大学的周卫对低温核供热堆控制棒不锈钢套管封焊工艺进行了研究。采用小 电流钨极氩弧焊对不锈钢套管端头实行自熔封焊，并用铜夹具来提高冷却速度。经检验，采用 该工艺既能保证焊接质量，又能降低工艺难度，节省时间汹1 。 1 9 9 9 年，李驰对将对称两半折弯成的槽形半壳焊接成型的矩形管制造工艺进行了研究。对 称的两根槽型梁用大型折弯机压制成型，然后采用气体保护焊将两个槽形半壳对接焊在一起。 通过调整坡口尺寸，焊接规范，焊接顺序获得了较好的焊接质量。 2 0 0 2 年，华中科技大学的李国成针对大型箱型梁对接焊进行了三维数值模拟。采用瞬时固定 热源和移动线热源两种加热方式进行对比分析得到箱型梁的收缩变形在其断面的四个角处有明 显的翘曲，采用移动热源多道焊焊接时，可避免产生三轴拉伸残余应力阱1 。 图1 3 大型箱型梁有限元网格划分倥刀 2 0 0 3 年，吕波等人应用弹性理论的方法，选取多项式和三角函数作为矩形管结构在载荷作 4 变化规律叫。 2 0 0 5 年，包钢利用微张力定径机生产方管的孔型系列规律进行了研究，制定了微张力定径 机生产方管的定径工艺参数。 2 0 0 5 年，车洪艳针对铝合金汽车框架结构中的薄壁方管，研究了其在静动载荷作用下的力 学行为；利用试验和有限元分析了薄壁方管在准静态压缩情况下不同压缩速度，不同截面，不 同长度的试样的吸能情况陋1 。 2 0 0 7 年，哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室的周雪平针对小截面薄壁方管 在焊接过程中变形严重，且与胎具之间的传热情况复杂的实际情况。考虑接触热传导建立了小 截面薄壁方管并行焊接的直接耦合分析模型。通过分析得出薄壁方管焊接过程中向上挠曲比较 严重，挠曲程度随着方管总长度的增加而加剧嘲。 近年来，国外对矩形管的研究主要集中在提高矩形管的性能方面，o t u b u s h i n 对相关文献 中的轴压仿真分析实验数据采用n y n a 3 d 进行了非线性有限元分析，仿真分析和实验结果吻合很 好m 1 。z i l a o 和a b d e n n a d h e r 对铜质方管进行了实验、有限元仿真和理论计算分析，结果表明应 变率敏感材料在轴压时