基于計算機模擬的鈦合金線性摩擦焊接焊縫內部殘余應力分析

高　志

基于計算機模擬的鈦合金線性摩擦焊接焊縫內部殘余應力分析

高志

（唐山學院，河北唐山063020）

基于輪廓法測量通過線性摩擦焊接的TC17鈦合金接頭內部殘余應力是一個能夠獲得接頭內部應力狀況的全新破壞性技術。首先將試樣切成兩半；然后測量由于殘余應力的釋放而引起的平面輪廓的位移；最后將切面的測量輪廓作為邊界條件，用線彈性有限元計算垂直于切割平面的殘余應力。對TC17鈦合金線性摩擦焊接接頭的內部應力分布進行分析。結果表明，TC17線性摩擦焊接焊縫的拉伸殘余應力主要集中在距離焊縫中心12 mm的區域內；拉應力峰值處于焊縫中心，達到360 MPa（約為TC17合金屈服強度的1/3）；應力在厚度方向的分布是不均勻的，并且內部的應力大于鄰近的頂部和底部表面的應力。

輪廓法；殘余應力；鈦合金；線性摩擦焊接

0　前言

由于鈦合金具有很高的強度和很好的抗腐蝕性，廣泛應用于航天、發電和化學處理等領域。高溫下鈦合金不穩定，傳統的熔化焊接并不適合鈦合金[1]。對于鈦合金而言，固相摩擦焊接被證明是最好的焊接方法[2]。摩擦焊接過程中，在壓力作用下通過兩構件間的相對運動將兩構件結合。線性摩擦焊接的焊縫很小，導致機械熱的影響區域十分有限。

雖然在線性摩擦焊接的過程中材料不會熔化，但是會使微觀結構產生嚴重變形和熱偏移，導致在焊接過程中機械性能和殘余應力的變化。如何評估工程組件在制造過程中產生的殘余應力一直備受關注。通過實驗測量焊接殘余應力是最直接的方法，但是此方法在測量整個焊縫內的應力分布時卻存在諸多問題。切割法、打孔法和X射線法都可以用來確定焊接殘余應力，但是這些方法只能確定焊接表面的殘余應力，厚焊接組件的內部應力很難測量，測量通過線性摩擦焊接產生的狹窄焊縫內部的應力分布就顯得更加困難。中子衍射是用于繪制工程組件中應力多軸分布時比較常用的非破壞性檢測技術，但是其應用受到試樣厚度、組件幾何尺寸、敏感微觀結構和提取組件中子源的限制。

輪廓法是一種較新的測量結構件中殘余應力的方法，相對于中子衍射而言具有一定的優越性。它能夠得到切片表面殘余應力的二維分布，并且不受組件微觀結構和厚度的限制。在目前工作中，通過輪廓法繪制了整個鈦合金線性摩擦焊接接頭橫截面的二維殘余應力分布。詳細介紹了測量過程，同時分析了線性摩擦焊接接頭的應力分布。

1　測量原理和試樣制備

1.1測量原理

當含有殘余應力的試樣被切割成兩半時，通常作用于切削面的殘余應力會完全釋放，引起切割面的變形。根據Bueckner疊加原理，在切割過程中殘余應力是彈性釋放，且材料的移除過程不會引起顯著應力，如果切割能夠迫使自由變形表面恢復到原來平面的形狀，所得應力即為作用于該剖切面的原始應力。

輪廓法通過測定釋放殘余應力后的輪廓表面，利用彈性有限元（FE）的方法將測量的輪廓相對面作為有限元模型切割面的邊界條件，從而產生原始應力場，這就是沿著平面切割之前的應力。通過輪廓法確定正常情況下切割平面殘余應力的基本步驟包括：剖切試樣、測量剖切表面的變形、分析測量的變形數據和有限元分析。

1.2試樣準備

在北京航空制造工程研究所利用兩個TC17鈦合金塊進行線性摩擦焊接。在完全夾緊的狀態下，其中一個鈦合金塊在另一個鈦合金塊表面做線性扭轉運動。在大量實驗的基礎上優化焊接參數，使其能夠重復使用，并且獲得高質量的TC17鈦合金線性摩擦焊接的焊縫。焊接試樣尺寸為250mm×70mm× 20 mm，如圖1所示。

圖1　TC17線性摩擦焊接示意

2　實驗和模擬

2.1切割試樣

切割平面垂直于x軸，位于1/2寬度處，如圖1所示。在靠近試樣切割面的兩邊將其夾緊，為了獲得更高的精度和表面光潔度，同時減小切割過程中引起的額外應力，試樣切割使用φ0.2 mm的SODICK AQ400LS銅導線電火花加工機，以6～9 mm/h的速度進行切割。

2.2輪廓測量

試樣切成兩半后，HEXAGON GLOBAL六角形全坐標測量機（CMM）測量平面外位移輪廓。測量范圍為距離焊縫中心20 mm區域，測量點間距0.2mm。

所測量的兩個半平面外位移如圖2所示。由圖2可知，焊縫區域內表面位移最小為115 μm，最大為175 μm。

圖2　測量平面位移

2.3表面數據處理

輪廓和切割的兩個半平面峰-谷表面高度有所不同，如圖2所示，其原因主要有兩方面：一是用坐標測量機測量的原始位移存在不可避免的噪點和異常點；二是由于切割缺陷、表面粗糙和錯誤測量造成的。噪點和異常點會導致最終的應力測量產生很大錯誤，因此對該程序而言，將原始位移作為有限元模型的位移邊界條件來處理是有必要的。

表面數據處理最重要的步驟是通過兩個切割表面來校正測量數據，去除噪點和異常值。取兩套測量數據的平均值主要是為了消除剪應力和切割缺陷的影響，最后對挑選出來的平均數進行適當的圓整。

雖然切割面大部分表面變化都比較平緩，但是焊縫附近表面變化劇烈，因此擬合出線性摩擦焊接焊縫切割表面的輪廓非常困難。曾有人使用傅里葉表面擬合來測量輪廓法圓弧焊接的殘余應力；樣條擬合算法也被用來平滑測量變形。在目前的研究中，表面輪廓被焊縫分成兩部分，一部分用高階傅里葉進行擬合，另一部分用平滑的高次多項式擬合。位于切割平面上焊接平面下10 mm的單線位移平均值和平滑后的結果如圖3所示。圖3清晰地表明，在兩個切割表面上測量的位移不同，擬合曲線測量的表面輪廓與實際非常接近。擬合所得的光滑表面如圖4所示。

圖3　位移測量值，平均值和平滑后的對比結果

圖4　數據處理后的光滑曲面

2.4有限元分析

在輪廓法中，將平滑的輪廓作為邊界條件施加到原始切割平面上來推測原始應力。首先建立其中一個金屬板的有限元模型，然后進行線彈性有限元分析，計算出垂直于原始切割平面的殘余應力。該材料為線彈性并且各向同性，彈性模量112 GPa，泊松比0.34。通過其他約束，防止有限元模型中剛體的運動。將圓滑后的輪廓作為切割表面的邊界條件施加在焊接區的有限元模型如圖5所示。

圖5　切割面相對變形的有限元模型（200×）

3　結果和分析

由輪廓法繪制的TC17鈦合金在線性摩擦焊接中產生的二維殘余應力如圖6所示。切割面測量的應力為圖1中顯示的x方向的應力。相比應用接觸式探針坐標測量機來測量變形和花鍵擬合算法擬合輪廓數據測量焊接殘應力，輪廓法測量的誤差為±32 MPa。

圖6　焊接板橫截面縱向殘余應力

如圖6所示，焊接區的特點為拉應力，應力峰值（約360 MPa）位于焊縫上，應力峰值約為室溫下TC17鈦合金屈服強度（約1 030 MPa）的1/3。由于該應力峰值在彈性范圍內并不會損傷接頭，并且該值遠遠小于熔化焊接過程中所產生的應力峰值，避免了接頭因應力過大而變形，保證了接頭在滿足使用要求的情況下又不影響美觀程度。焊接區域外，應力迅速減小到0，這表明線性摩擦焊接中存在一個非常陡峭的應力梯度。文獻[3]表明，通過衍射法和輪廓法測量的鈦合金在線性摩擦焊接中產生的殘余應力小于材料在室溫下的屈服強度，本研究中的應力分布趨勢再次證實了這一點。研究中所測量的應力小于實際的焊接應力，原因是在忽略閃光的過程中可能會導致一些應力的釋放。

為了清楚表示出TC17合金線性摩擦焊接接頭的應力分布，在切割表面上選擇了4條線來評估測量的應力（見圖7）。沿著這些線的應力分布如圖8和圖9所示。

圖7　應力評估測量線示意（單位:mm）

圖8　L1線的應力分布

圖9　L2，L3，L4線的應力分布

如圖8所示，較高的拉伸應力發生在焊縫中心，在距離焊縫中心11 mm（左側）和14 mm（右側）處迅速減小到一個很低的壓應力峰值（約50 MPa），然后慢慢的變為0。表明TC17合金的線性摩擦焊接焊縫內的應力陡峭變化可以被輪廓法捕獲。

由圖9可知，從頂面到底面厚度方向的應力分布是不均勻的，靠近頂面和底面的應力小于內部應力。此外，隨著到焊縫中心距離的增加，應力急劇減小。距離焊縫中心6 mm處的應力是由于整個厚度被壓縮而引起的。

當焊接板材的厚度發生變化時，應力峰值仍然在焊縫中心處，并且其大小約為360 MPa。當板厚增加時，接觸面積增大，隨著距焊縫中心距離的增加，應力減小速率降低，但是其變化規律仍然與20 mm厚的板材變化規律一致。

4　結論

（1）使用輪廓法可繪制出焊接組件整個截面的二維殘余應力分布，且能夠捕獲到由線性摩擦焊接產生的狹窄焊縫內劇烈變化的應力梯度。

（2）TC17合金線性摩擦焊接拉應力峰值出現在焊縫中心線，達到360 MPa（約為TC17合金屈服強度的1/3），距離焊縫中心11 mm和14 mm的位置處，拉應力下降為50 MPa的壓應力峰值。

（3）TC17線性摩擦焊接的焊接區沿厚度方向應力分布是不均勻的；內部應力大于靠近頂面和底面的應力。

[1]劉川，董春林.基于輪廓法測試鈦合金線性摩擦焊接的內部殘余應力[J].中國有色金屬學報（英文版），2015，24（5）：1387-1392.

[2]溫國棟，馬鐵軍，李文亞，等.機械式線性摩擦焊機的模糊控制系統設計[J].電焊機，2014，44（9）：64-67.

[3]孫成彬，張田倉，李晶.陶軍高溫鈦合金Ti60線性摩擦焊接頭形貌特征及接頭性能分析[J].電焊機，2008，38（11）：1-5+31.

Residual stress analysis of titanium alloy linear friction welding based on computer simulation

GAO Zhi
（Tangshan College，Tangshan 063020，China）

Based on contour measurement by TC17 titanium alloy linear friction welding joint internal residual stress is an access to joint internal stress status of new disruptive technologies.Firstly，cut the sample in half.Then measure the displacement that due to the release of residual stress caused by plane contour.Finally take the section measurement profile as boundary conditions，twisted elastic finite element calculation of cutting plane perpendicular to the residual stress.Analyze internal stress distribution of TC17 titanium alloy linear friction welding joint.The results show that the TC17 tensile residual stress is mainly focused on the distances from the center of the weld area of 12 mm.The peak value of tensile stress in the center of the weld to 360 MPa（about a third of alloy TC17 yield strength）.The distribution of stress in the thickness direction is uneven，and the internal stress is greater than the top and bottom of the adjacent surface stress.

contour method；residual stress；titanium alloy；linear friction welding

TG404

A

1001－2303（2016）01－0067-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.15

2015-04-03；

2015-07-12

高志（1979—），男，河北保定人，講師，碩士，主要從事機械加工、數控機床技術及應用等理論和實踐研究。