隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓控制TC4薄板失穩(wěn)變形研究.pdf

1、TC4薄壁焊接結(jié)構(gòu)，因其重量輕、比強度高，能明顯提高產(chǎn)品的有效載荷系數(shù)，被大量用在飛機、火箭等航空航天飛行器等產(chǎn)品上。作為薄壁焊接結(jié)構(gòu)因其焊接時的不均勻加熱造成了不均勻擠壓膨脹，因而在焊縫及其熱影響區(qū)有很強的收縮能力，繼而在焊縫及其熱影響區(qū)有較高的縱向拉應力，相應的兩側(cè)較寬的區(qū)域承受壓應力。因而薄壁焊接構(gòu)件必然無一例外的產(chǎn)生馬鞍形失穩(wěn)變形。作為飛機、火箭等航空航天飛行器產(chǎn)品必須采取有效措施控制焊接變形，以滿足產(chǎn)品的設計要求。
　　

2、針對TC4薄板焊接件的失穩(wěn)變形，本文提出隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓的新工藝方法，即在焊接過程中，當焊縫及近縫區(qū)的鈦合金尚處于屈服強度低、塑性較好的高溫階段時，采用沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓的方式，對發(fā)生壓縮塑性變形的焊縫及近縫區(qū)施加一定的載荷，使得壓縮塑性區(qū)能產(chǎn)生塑性延展，從而降低TC4薄板焊接件的縱向殘余壓應力，起到控制失穩(wěn)變形的作用。
　　鈦合金的屈服強度高、塑性延展變形難，所需外加載荷大，本文利用較短時間內(nèi)動量的變化能夠產(chǎn)生較大應力的特點，通過沖擊

3、旋轉(zhuǎn)擠壓桿的動量和沖量間的轉(zhuǎn)換，滿足了TC4薄板件的隨焊塑性延展對外加載荷應力水平的要求。沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓系統(tǒng)采用壓縮真空式機構(gòu)，為了控制其工作時的旋轉(zhuǎn)速度和沖擊速率，采用了調(diào)壓器，通過調(diào)節(jié)輸入電壓的方式來調(diào)整作為動力源的交流串激電動機的轉(zhuǎn)速，從而控制沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓桿工作時的沖擊、旋轉(zhuǎn)速度。
　　沖擊實驗過程中沖擊力的大小及其瞬態(tài)變化，通過自制的測力底座，進行瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集。使用前先在電子萬能材料試驗機上進行應力應變關系標定，以確定沖擊力

4、和測力底座上電阻應變片應變數(shù)據(jù)之間的關系。基于能量守恒的原則對沖擊過程TC4薄板件所受到的沖擊力進行了求解，并采用有限元的方法分析了沖擊桿對作用區(qū)域的應力。
　　不同的沖擊速率會導致作用區(qū)域金屬的力學性能不同，利用材料試驗機和熱力模擬機對不同變形速率、溫度下TC4焊接件的力學性能進行測試。比較了Johnson-Cook模型中TC4屈服強度的計算值和焊接件在不同變形速率、溫度下屈服強度的實驗值，結(jié)果表明，Johnson-Cook模型

5、能夠較好的描述隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓工藝條件下的TC4焊接件力學性能的變化。
　　采用有限元的方法，通過特征值分析計算屈曲載荷，確定了一定尺寸的薄板件的臨界失穩(wěn)應力。然后根據(jù)一維彈性方法，即殘余壓應力可近似地由焊縫及附近區(qū)域的縱向拉應力來確定，解析求解了TC4薄板焊接件臨界失穩(wěn)應力的數(shù)值，建立了評價TC4薄板焊接件力學失穩(wěn)的條件。
　　建立焊接熱源后跟隨外加載荷的有限元模型，分析了外加載荷的加載力大小、加載距離對焊接過程中瞬態(tài)應力

6、應變的影響。由于縱向應力是引起失穩(wěn)變形的主要因素，所以僅對TC4薄板件的焊接過程中的縱向應力、縱向彈性變形和板厚方向的塑性變形進行了分析。結(jié)果說明，在加載位置一定的條件下，增大加載力有利于焊接縱向殘余應力的降低；在塑性延展充分的條件下，由于加載后的冷卻過程仍會產(chǎn)生內(nèi)應力，所以隨著加載距離的增加焊接縱向殘余應力降低。
　　采用切條法測量了常規(guī)焊接件和外加載荷與焊接熱源距離分別為25mm、50mm以及75mm的隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓件的縱向