鈦合金i80板焊接接頭殘余應(yīng)力分布特征研究

鈦合金i80板焊接接頭殘余應(yīng)力分布特征研究

0殘余應(yīng)力與機(jī)械釋放及釋放方法鈦合金具有低重量、高強(qiáng)度、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，以及先進(jìn)材料在電工和力學(xué)方面的適應(yīng)性。廣泛應(yīng)用于航空、航空航天、海洋、石油、化工等領(lǐng)域。早在20世紀(jì)30年代,焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量問(wèn)題就已被人們所關(guān)注,當(dāng)時(shí)使用破壞性較大的機(jī)械測(cè)量法。20世紀(jì)40年代中期以來(lái),由于電阻應(yīng)變計(jì)的發(fā)明,電測(cè)法有了很大的發(fā)展,它與機(jī)械法配合使用,大大降低了機(jī)械法對(duì)構(gòu)件的破壞。目前測(cè)量焊接殘余應(yīng)力的方法主要可分為具有一定損傷性的機(jī)械釋放測(cè)量法和無(wú)損傷的物理測(cè)量法。機(jī)械釋放方法主要包括截條法、逐步剝層法、以及釋放管孔周應(yīng)變測(cè)量法。物理測(cè)量法主要有X射線衍射法、磁性法、超聲波法和固有應(yīng)變法等本研究通過(guò)對(duì)鈦合金厚板焊縫常用的應(yīng)力測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比分析,建立了適合鈦合金厚板焊接接頭的三維測(cè)試方法,并使用有限元法對(duì)鈦合金的應(yīng)變釋放系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定,通過(guò)這些方法對(duì)鈦合金厚板焊接接頭的三維殘余應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究。1殘余應(yīng)力測(cè)量,是根據(jù)本構(gòu)模型設(shè)計(jì)的內(nèi)部殘余應(yīng)力測(cè)量,應(yīng)采用局部去除材料和盲孔法測(cè)量?jī)?nèi)部殘余應(yīng)力;未盡測(cè)量本單位;未測(cè)量未測(cè)量本單位應(yīng)力,實(shí)際焊接殘余應(yīng)力;未檢測(cè)焊接殘余應(yīng)力應(yīng)測(cè)量本單位;未測(cè)量未測(cè)量本單位內(nèi)部殘余應(yīng)力;未檢測(cè)焊接殘余應(yīng)力;未檢測(cè)殘余應(yīng)力應(yīng)測(cè)量本單位內(nèi)部殘余應(yīng)力;未檢測(cè)殘余應(yīng)力應(yīng)測(cè)量本單位內(nèi)部殘余應(yīng)力;未檢測(cè)殘余應(yīng)力應(yīng)測(cè)量本單位內(nèi)部殘余應(yīng)力;未檢測(cè)殘余應(yīng)力時(shí)焊縫殘余應(yīng)力;未檢測(cè)殘余應(yīng)力時(shí)焊縫殘余應(yīng)力;未檢測(cè)殘余應(yīng)力應(yīng)測(cè)量本單位;未檢測(cè)殘余應(yīng)力應(yīng)測(cè)量本單位內(nèi)部殘余應(yīng)力;未檢測(cè)殘余應(yīng)力應(yīng)測(cè)量本單位內(nèi)部應(yīng)測(cè)量本工藝設(shè)所測(cè)量,所測(cè)量的殘余應(yīng)力應(yīng)測(cè)量本工藝本內(nèi)現(xiàn)有的沿厚度方向上的殘余應(yīng)力測(cè)量方法主要有深孔法、階梯孔法、逐層剝削法、裂紋柔度法等。這些方法除深孔法外都只適用測(cè)量均勻分布的應(yīng)力和單點(diǎn)測(cè)量,不適合測(cè)量小區(qū)域內(nèi)變化劇烈的焊接殘余應(yīng)力。深孔法是最近發(fā)展起來(lái)的能測(cè)量厚度達(dá)100mm焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力的方法,但其測(cè)量耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高,且是基于環(huán)芯法測(cè)量,所測(cè)量的殘余應(yīng)力區(qū)域比較大,測(cè)量值反映較大測(cè)量區(qū)域的平均應(yīng)力,不太適合窄小焊縫的應(yīng)力測(cè)量。針對(duì)尺寸為380mm×300mm×51mm的Ti80焊接試板平行焊縫的焊接殘余應(yīng)力測(cè)量,采用局部逐層去除材料和盲孔法測(cè)量?jī)?nèi)部殘余應(yīng)力。該方法利用理論和實(shí)踐非常成熟的小孔法,結(jié)合階梯孔法和逐層剝削法的優(yōu)勢(shì),在焊接件上、下表面局部區(qū)域去除一定厚度的材料,然后采用盲孔法測(cè)量去除材料后的內(nèi)部殘余應(yīng)力。該方法能多點(diǎn)測(cè)量以反映焊縫區(qū)域的應(yīng)力梯度變化;局部去除材料能保證去除材料部分的應(yīng)力釋放所引起的附加應(yīng)力最小,最大限度保證了原有焊接殘余應(yīng)力的完整性。該方法將材料剝削過(guò)程和應(yīng)力測(cè)量過(guò)程分離,使得敏感的應(yīng)力測(cè)量過(guò)程不受剝削過(guò)程的影響,因而測(cè)量誤差小、操作方便、測(cè)量效率高,適合工程應(yīng)用。2測(cè)試步驟和方案2.1表層殘余應(yīng)力測(cè)量采用逐層剝削盲孔法來(lái)測(cè)量51mm厚的Ti80板材焊接殘余應(yīng)力,主要步驟為:(1)采用盲孔法測(cè)量表層殘余應(yīng)力;(2)去除一定厚度的局部材料,去除材料從正反兩面交替進(jìn)行;(3)再采用盲孔法測(cè)量去除材料后新的表層殘余應(yīng)力;(4)繼續(xù)前3個(gè)步驟直至去除材料到所需的測(cè)量深度。2.2殘余應(yīng)力測(cè)試及分析總測(cè)試點(diǎn)數(shù)為88點(diǎn),方案如下:(1)表面焊接殘余應(yīng)力測(cè)試共計(jì)22點(diǎn)。先采用盲孔法進(jìn)行上、下表面的表層殘余應(yīng)力測(cè)量,測(cè)量位置和測(cè)量點(diǎn)如圖1所示。各面沿垂直焊縫方向測(cè)量11個(gè)點(diǎn),分別距焊縫中心-50mm、-30mm、-20mm、-10mm、-5mm、0mm、5mm、10mm、20mm、30mm、50mm。表面殘余應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)數(shù)較多,這是進(jìn)一步判斷厚度上測(cè)量位置的基礎(chǔ),也是決定剝削層尺寸大小的基礎(chǔ)。(2)內(nèi)部焊接殘余應(yīng)力測(cè)試,共計(jì)66點(diǎn)。采用逐層對(duì)稱剝削盲孔法對(duì)51mm厚鈦板平行焊縫的內(nèi)部殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試及數(shù)據(jù)分析。沿厚度方向的殘余應(yīng)力測(cè)量時(shí),每次對(duì)稱去除5mm厚材料,去除材料區(qū)域的尺寸為長(zhǎng)度180mm、寬度70mm,剝削層尺寸如圖2所示。每層測(cè)量11個(gè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力,分別距焊縫中心距離為-50mm、-30mm、-20mm、-10mm、-5mm、0mm、5mm、10mm、20mm、30mm、50mm?？偣踩コ?層共30mm厚度材料,同一位置在厚度上測(cè)量8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。各內(nèi)部測(cè)量點(diǎn)的位置與表面測(cè)量點(diǎn)位置一致。3有限元法校正變量釋放系數(shù)3.1參考器的開口有限元標(biāo)定試板外形及尺寸如圖3所示,試板有限元網(wǎng)格劃分如圖4所示。鈦合金彈性模量E=1.16×103.2變量釋放系數(shù)的計(jì)算經(jīng)過(guò)計(jì)算離孔中心3mm處的釋放應(yīng)變,并經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算,得出該鈦合金板盲孔法焊接殘余應(yīng)力測(cè)試的系數(shù)為:A=-0.976×104殘余應(yīng)力分布試樣沿厚度方向分布的殘余應(yīng)力如圖5所示。從圖5可以看出,遠(yuǎn)離焊縫位置測(cè)量得到的沿厚度上、下表層及中部區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力;焊縫中心和距焊縫中心±10mm以內(nèi)位置沿厚度的應(yīng)力分布整體為拉應(yīng)力,且表層應(yīng)力普遍大于內(nèi)部應(yīng)力。試樣表層及去除材料后新表層縱向、橫向位置殘余應(yīng)力分布如圖6所示。由圖6可以看出,表層及上、下表層去除一定厚度材料后沿垂直焊縫方向的殘余應(yīng)力分布情況相似,在距焊縫中心位置-10~10mm范圍內(nèi),呈現(xiàn)較高的拉應(yīng)力,其應(yīng)力范圍集中在500MPa左右,沒(méi)有超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度,當(dāng)偏離焊縫位置,拉應(yīng)力逐漸下降且受力方式轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力,在遠(yuǎn)離焊縫的一些區(qū)域呈現(xiàn)出壓應(yīng)力升高的現(xiàn)象。5焊接接頭殘余應(yīng)力本研究采用局部逐層剝削材料結(jié)合盲孔法測(cè)試了51mm厚Ti80板的焊接殘余應(yīng)力,研究了51mmTi80試板三維殘余應(yīng)力分布特征。(1)局部逐層剝削材料并結(jié)合盲孔法能有效測(cè)量大厚度焊接件的內(nèi)部殘余應(yīng)力,并能反映焊接接頭的大梯度變化應(yīng)力狀態(tài)。(2)表層及上、下表層去除一定厚度材料沿垂直焊縫方向的殘余應(yīng)力分布相似,在焊縫和熱影響區(qū)距焊縫中心-10~10mm范圍內(nèi),呈現(xiàn)較高的拉應(yīng)力,應(yīng)力范圍集中在500MPa左右,且拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在上表面距離焊縫中心10mm位置