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(qiáng)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(jī)、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(shí)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(qiáng)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(yīng)力，相應(yīng)的兩側(cè)較寬的區(qū)域承受壓應(yīng)力。因而薄壁焊接構(gòu)件必然無(wú)一例外的產(chǎn)生馬鞍形失穩(wěn)變形。作為飛機(jī)、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(shè)計(jì)要求。
　　

2、針對(duì)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(guò)程中，當(dāng)焊縫及近縫區(qū)的鈦合金尚處于屈服強(qiáng)度低、塑性較好的高溫階段時(shí)，采用沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓的方式，對(duì)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(yīng)力，起到控制失穩(wěn)變形的作用。
　　鈦合金的屈服強(qiáng)度高、塑性延展變形難，所需外加載荷大，本文利用較短時(shí)間內(nèi)動(dòng)量的變化能夠產(chǎn)生較大應(yīng)力的特點(diǎn)，通過(guò)沖擊

3、旋轉(zhuǎn)擠壓桿的動(dòng)量和沖量間的轉(zhuǎn)換，滿足了TC4薄板件的隨焊塑性延展對(duì)外加載荷應(yīng)力水平的要求。沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓系統(tǒng)采用壓縮真空式機(jī)構(gòu)，為了控制其工作時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度和沖擊速率，采用了調(diào)壓器，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電壓的方式來(lái)調(diào)整作為動(dòng)力源的交流串激電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓桿工作時(shí)的沖擊、旋轉(zhuǎn)速度。
　　沖擊實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沖擊力的大小及其瞬態(tài)變化，通過(guò)自制的測(cè)力底座，進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集。使用前先在電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系標(biāo)定，以確定沖擊力

4、和測(cè)力底座上電阻應(yīng)變片應(yīng)變數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。基于能量守恒的原則對(duì)沖擊過(guò)程TC4薄板件所受到的沖擊力進(jìn)行了求解，并采用有限元的方法分析了沖擊桿對(duì)作用區(qū)域的應(yīng)力。
　　不同的沖擊速率會(huì)導(dǎo)致作用區(qū)域金屬的力學(xué)性能不同，利用材料試驗(yàn)機(jī)和熱力模擬機(jī)對(duì)不同變形速率、溫度下TC4焊接件的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。比較了Johnson-Cook模型中TC4屈服強(qiáng)度的計(jì)算值和焊接件在不同變形速率、溫度下屈服強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)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(xué)性能的變化。
　　采用有限元的方法，通過(guò)特征值分析計(jì)算屈曲載荷，確定了一定尺寸的薄板件的臨界失穩(wěn)應(yīng)力。然后根據(jù)一維彈性方法，即殘余壓應(yīng)力可近似地由焊縫及附近區(qū)域的縱向拉應(yīng)力來(lái)確定，解析求解了TC4薄板焊接件臨界失穩(wěn)應(yīng)力的數(shù)值，建立了評(píng)價(jià)TC4薄板焊接件力學(xué)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(duì)焊接過(guò)程中瞬態(tài)應(yīng)力

6、應(yīng)變的影響。由于縱向應(yīng)力是引起失穩(wěn)變形的主要因素，所以僅對(duì)TC4薄板件的焊接過(guò)程中的縱向應(yīng)力、縱向彈性變形和板厚方向的塑性變形進(jìn)行了分析。結(jié)果說(shuō)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(yīng)力的降低；在塑性延展充分的條件下，由于加載后的冷卻過(guò)程仍會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，所以隨著加載距離的增加焊接縱向殘余應(yīng)力降低。
　　采用切條法測(cè)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