鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐熱、耐蝕性好、可加工性及抗疲勞性優(yōu)良等優(yōu)點。焊接是鈦合金在工業(yè)應(yīng)用過程中的重要技術(shù)[1]。鈦合金屬于活潑金屬,在焊接過程中易產(chǎn)生缺陷,熱源加載不均勻且快速,在焊接件中易產(chǎn)生殘余應(yīng)力與畸變,影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載能力和抗疲勞性能[2]。焊接過程涉及變量較多,以生產(chǎn)經(jīng)驗指導(dǎo)焊接成本較高且不符合實際,因此有必要通過計算機(jī)數(shù)值模擬獲得焊接過程的定量認(rèn)識[3]。

楊露等[4]對TC4?ELI合金夾角為171.98°的對接多層焊進(jìn)行模擬,并對其殘余應(yīng)力分布進(jìn)行試驗驗證。曾澤群等[5]運(yùn)用彈性有限元方法計算了TC4鈦合金V型坡口對接焊殘余應(yīng)力的釋放,但試驗結(jié)果與模擬值仍存在一定誤差。李良碧等[6]對TC4及Ti80鈦合金焊后熱處理過程進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)Norton蠕變模型對焊后熱處理過程進(jìn)行數(shù)值模擬比較合理。劉文明等[7]探究了不銹鋼多層多道焊后熱處理對殘余應(yīng)力的影響,發(fā)現(xiàn)模擬值與測量值仍存在一定誤差。呂劉帥等[8]對鎳基合金管道V型坡口焊接及熱處理過程進(jìn)行了模擬,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)升高溫度進(jìn)行焊后熱處理,可以在短時間內(nèi)有效降低殘余應(yīng)力。杜永勤等[9]研究了不同熱處理對TC4合金鎢極氬弧焊接頭的影響,發(fā)現(xiàn)650℃×1h條件下焊接件力學(xué)性能最好。目前已有研究中針對TC4鈦合金中厚板多層鎢極氬弧焊及焊后熱處理的模擬少有涉及,本文針對某廠生產(chǎn)的車輛用懸架結(jié)構(gòu)件TC4鈦合金焊接件,使用Ansys建立其焊接部位的等效數(shù)值模型,探究焊接及焊后熱處理過程中的溫度及應(yīng)力變化規(guī)律,并分析接頭組織的變化。
1、試驗材料與方法
1.1 試驗材料
試驗材料為兩塊300mm×150mm×20mm的退火態(tài)TC4鈦合金板,主要化學(xué)成分如表1所示,顯微組織如圖1所示,為等軸組織形貌,其中β相破碎嚴(yán)重,均勻分布于α相基底上,焊縫處填充材料為同質(zhì)TC4合金實心焊絲。

1.2 試驗方法
焊接模擬基于國內(nèi)某廠手工鎢極氬?。ǎ裕酰睿纾螅簦澹睿椋睿澹颍?gas,TiG)焊參數(shù):接頭類型為對接接頭,開60°X型坡口,焊接道數(shù)為7道。氬氣純度≥99.99%,氣流量為25L/min,焊接速度為2.5mm/s,焊接工藝參數(shù)如表2所示。熱源模型選擇高斯分布的面熱源[10],使用生死單元技術(shù)模擬雙面交替多道焊時焊絲填充。為了明確掌握焊接件在焊接及焊后熱處理過程中的溫度場、應(yīng)力場等變化規(guī)律,假設(shè)鈦合金板處于理想狀態(tài),僅考慮熱的作用,而不受其他任何外加載荷,也不考慮初始應(yīng)力和變形狀態(tài)。綜合考慮模擬精度及計算效率,將靠近焊縫處網(wǎng)格進(jìn)行加密,模型共劃分為25550個單元格,為定量分析各方向溫度及應(yīng)力變化,建立特征線path1,同時,采用X射線衍射法沿path1對焊接件殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測,如圖2(a)所示,焊接坡口及焊接順序如圖2(b)所示。焊后熱處理(Post?weldheattreatment,PWHT)工藝為650℃保溫4h,升溫和冷卻速度控制在200℃/h以下。

2、結(jié)果與討論
2.1 溫度場模擬結(jié)果及分析
由于焊接過程中使用到局部高度集中的移動瞬時熱源,產(chǎn)生不均勻和不穩(wěn)定的溫度場是引起焊接畸變的根本原因。因此溫度場的準(zhǔn)確性是分析應(yīng)力應(yīng)變的前提。如圖3所示,熱源加載處溫度最高為2056.5℃,溫度線由熱源朝母材區(qū)及厚度方向均勻擴(kuò)散,逐漸下降,熱源前方的等溫線相對密集,溫度梯度較大;熱源后方等溫線較稀疏,溫度梯度較小,又由于TC4鈦合金的導(dǎo)熱性能差,所以溫度場云圖范圍小。雖然各層溫度變化規(guī)律相同,但由于熱源瞬時給焊接構(gòu)件的熱能不同,各層焊縫所能達(dá)到的溫度也不同,其中第1層焊的峰值溫度最低(2183.6℃),第5層最高(2337.8℃),如圖4(a)所示。打底焊在后續(xù)正反面交替焊接時會經(jīng)歷多次焊接熱循環(huán)的“熱處理”作用,填充層和蓋面層焊縫同樣也經(jīng)歷了不同特征的熱循環(huán),第1、4、7層焊縫中心點溫度變化如圖4(b)所示。


TC4鈦合金的性能由組織決定,分析上述焊接工藝對接頭組織的影響:在焊接冷卻階段,焊縫處熔池凝固轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷卅孪?,柱狀晶以晶界跳躍式位移的方式競相生長。由于焊縫冷卻速度較快,抑制了晶粒的擴(kuò)散分解,在晶粒內(nèi)部,體心立方的β相以切變的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕降摩粒恚ǎ停幔颍簦澹睿螅椋簦濡粒┫啵l(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,不同道次焊縫的組織組成一致,由于TC4合金中存在一定量的元素V,使少量高溫β相在冷卻過程中保留在馬氏體板條之間,與馬氏體呈聯(lián)生形態(tài),部分αt(Transformedα)相在含有較多α穩(wěn)定元素的β晶界形核,當(dāng)溫度進(jìn)一步降低時,αt相才開始在β晶粒內(nèi)部析出,如圖5(a)所示;αm相形核長大后,隨著后續(xù)冷卻均勻析出細(xì)小的顆粒狀αg(Granularα)相,如圖5(b)所示。由于不同道次熱輸入量不同,且在多層焊時,后一道熱循環(huán)會對前一道焊縫產(chǎn)生熱處理效果,能夠均勻細(xì)化組織,因此熱輸入最小的打底焊的馬氏體平均尺寸最小,為19.5μm,蓋面層雖然焊接熱輸入不高,但由于未受到熱處理作用,馬氏體平均尺寸最粗大,為96.2μm,各層馬氏體尺寸如圖5(c)所示。母材區(qū)組織仍為初始的退火態(tài)等軸組織,熱影響區(qū)組織為焊縫區(qū)與母材區(qū)之間的混合過渡組織。

由于焊接過程中產(chǎn)生較大的溫度梯度,各部位由于冷速不同獲得不同的組織。焊接件各部分組織性能不均勻,因此,有必要對其進(jìn)行合理的焊后熱處理,以滿足實際的使用要求,采用箱式電阻爐對TC4鈦合金焊接件進(jìn)行650℃×4h,空冷的退火處理。
TC4鈦合金焊接接頭經(jīng)PWHT后,晶格出現(xiàn)應(yīng)力松弛。在高于400℃時,αm開始分解為次生α+β相,隨著熱處理溫度升高,在700℃時αm完全轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊粒孪郲11]。本文PWHT后次生(α+β)相和αm相共存,原始β晶界逐漸變模糊,次生β相呈白色顆粒狀或短棒狀彌散分布,如圖6(a,b)所示。并結(jié)合XRD數(shù)據(jù)進(jìn)行分析:采用高斯?洛倫茲曲線擬合,利用3個強(qiáng)度最大的峰獲得半高寬(FWHM),以考察加熱過程中晶格應(yīng)變的演變。試樣在2θ=40.42°的峰值最高,該峰對應(yīng)的是(1011)晶面,表明試樣中該晶面的取向特別強(qiáng)烈,其PWHT前后半高寬分別為0.39與0.29。第二強(qiáng)峰為2θ=38.52°,對應(yīng)(0002)晶面,其PWHT前后半高寬分別為0.48與0.27。第三強(qiáng)峰為2θ=35.36°,對應(yīng)(1010)晶面,其PWHT前后半高寬分別為0.36與0.34。經(jīng)PWHT后(0002)α衍射峰發(fā)生“峰分裂”,新(0002)峰位于36°~38°區(qū)間,但強(qiáng)度較低。在(1011)晶面的底部2θ=39.6°觀察到一個寬肩峰,對應(yīng)于(110)β,這證實了αm相分解為次生(α+β)相。這些晶面的FWHM降低5.56%~43.75%,表明TC4鈦合金的結(jié)晶度隨著內(nèi)部缺陷的消除和殘余應(yīng)力的消除而得到改善。

2.2 應(yīng)力場模擬結(jié)果及分析
基于熱彈塑性理論,在溫度場的基礎(chǔ)上順序耦合應(yīng)力場,對PWHT前后殘余應(yīng)力分布進(jìn)行分析,TC4合金TiG焊后未經(jīng)熱處理時焊縫的殘余應(yīng)力分布云圖如圖7所示。

為定量了解焊態(tài)與PWHT態(tài)TC4鈦合金焊縫的殘余應(yīng)力分布情況,收集特征線path1不同方向上的殘余應(yīng)力分布數(shù)據(jù),如圖8所示。“-”表示壓應(yīng)力,“+”表示拉應(yīng)力。焊接過程中受熱作用較小的母材區(qū)對焊接板膨脹的限制,焊縫區(qū)附近存在殘余應(yīng)力。焊縫區(qū)熔化過程產(chǎn)生的應(yīng)力忽略不計,焊后冷卻過程中金屬受到相鄰金屬的限制,產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,并隨冷卻的進(jìn)行不斷增大,但β相以切變的方式轉(zhuǎn)變?yōu)棣粒硐啵w積略微膨脹,焊態(tài)焊縫中心產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力較小,如圖8(a)所示。焊接過程中熱源離開以后,焊縫區(qū)附近的熱影響區(qū)受熱傳導(dǎo)的作用持續(xù)升溫,金屬的膨脹受到限制,產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,如圖8(b)所示,在隨后的冷卻過程中,由于焊縫區(qū)產(chǎn)生的反作用力,壓應(yīng)力持續(xù)增加,直至整個焊接板的應(yīng)力平衡[10]。經(jīng)PWHT后,橫向最大殘余拉應(yīng)力試驗值由232.1MPa降為127.8MPa,最大殘余壓應(yīng)力由5.7MPa降為0.9MPa。

縱向最大殘余拉應(yīng)力試驗值由479.5MPa降為332.5MPa,最大殘余壓應(yīng)力由54.3MPa降為12.5MPa。垂直焊接方向的殘余應(yīng)力呈對稱分布,與溫度場分布規(guī)律基本相同,近焊縫處殘余應(yīng)力較大,為易斷裂位置。此焊接件殘余應(yīng)力變化規(guī)律與沙宇程[12]通過Ansys、XRD等手段對鈦合金在焊后熱處理工藝下的殘余應(yīng)力分析具有一致性。
3、結(jié)論
模擬焊接及焊后熱處理過程,分析TC4鈦合金焊接接頭組織及殘余應(yīng)力變化,主要結(jié)論如下:
1)使用Ansys軟件模擬TC4鈦合金鎢極氬弧焊及焊后650℃退火處理過程。焊接過程中各層焊縫由于熱輸入不同,其溫度也不同,其中第1層焊的峰值溫度最低(2183.6℃),第5層最高(2337.8℃),打底層與填充層經(jīng)后續(xù)焊接熱循環(huán)的“熱處理”作用,與蓋面層經(jīng)歷了不同特征的熱循環(huán),焊縫區(qū)各層馬氏體尺寸
由19.5μm向96.2μm變化。
2)焊后焊縫區(qū)主要由αm相+少量β相+部分αt相+析出αg相組成,母材區(qū)為初始的退火態(tài)等軸組織,熱影響區(qū)為焊縫區(qū)與母材區(qū)之間的混合過渡組織。
經(jīng)PWHT后,焊縫區(qū)部分αm相轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊é粒拢┫?;并由XRD圖譜觀察到(0002)α衍射峰發(fā)生“峰分裂”,在2θ=39.6°處觀察到新峰(110)β,同時FWHM降低5.56%~43.75%,表明TC4鈦合金的結(jié)晶度隨著殘余應(yīng)力的消除而得到改善。
3)TC4鈦合金焊后殘余應(yīng)力主要集中在焊縫附近,此為易斷裂位置。垂直焊接方向的殘余應(yīng)力呈對稱分布,與溫度場分布規(guī)律基本相同,經(jīng)PWHT后各項殘余應(yīng)力均降低。
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