兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (3): 240017-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0017
王磊1,2, 杜劭峰2, 李红星3, 刘港1, 张磊2, 彭勇1,*()
收稿日期:
2024-01-04
上线日期:
2024-04-13
通讯作者:
基金资助:
WANG Lei1,2, DU Shaofeng2, LI Hongxing3, LIU Gang1, ZHANG Lei2, PENG Yong1,*()
Received:
2024-01-04
Online:
2024-04-13
摘要:
钛合金常用于各类飞行器舵翼部件的蒙皮-骨架结构中,在兵器、航空航天行业受到广泛关注。以钛合金蒙皮-骨架结构激光焊接变形为研究对象,利用热循环曲线法模拟焊接顺序对焊接变形与应力的影响规律,通过在焊接生产过程中加入翻转工艺显著降低了焊接变形与残余应力。研究结果表明,优先焊接蒙皮中心区域焊缝,并在焊接过程中加入翻转,可以使峰值焊接应力从原始的1027.18MPa降低到745.30MPa,降低了27.4%;特征点P1、P2、P3处变形由原始的0.168mm、0.178mm、0.198mm减小至0.066mm、0.028mm、0.021mm,分别减小60.7%、84.3%和89.4%。利用激光三维扫描仪测量了蒙皮-骨架结构激光焊接变形量,与实验测量结果相比,计算结果平均误差为9.98%,验证了有限元模型和优化焊接顺序的准确性。
中图分类号:
王磊, 杜劭峰, 李红星, 刘港, 张磊, 彭勇. 钛合金蒙皮-骨架结构激光焊接变形规律模拟研究[J]. 兵工学报, 2025, 46(3): 240017-.
WANG Lei, DU Shaofeng, LI Hongxing, LIU Gang, ZHANG Lei, PENG Yong. Simulation Research on Deformation Laws of a Titanium Alloy Skin-skeleton Structure during Laser Beam Welding[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(3): 240017-.
焊缝 编号 | 接头 类型 | 激光功 率/W | 焊接速度/ (m·s-1) | 离焦量/ mm | 保护气 流量/ (L·min-1) |
---|---|---|---|---|---|
1~8 | 搭接 | 1200 | 0.025 | +2 | 25 |
9~12 | 焊接 | 1100 | 0.025 | +2 | 25 |
表1 焊接工艺参数
Table 1 Welding parameters.
焊缝 编号 | 接头 类型 | 激光功 率/W | 焊接速度/ (m·s-1) | 离焦量/ mm | 保护气 流量/ (L·min-1) |
---|---|---|---|---|---|
1~8 | 搭接 | 1200 | 0.025 | +2 | 25 |
9~12 | 焊接 | 1100 | 0.025 | +2 | 25 |
热源参数 | 对接焊接热源 | 搭接焊接热源 |
---|---|---|
Rv/mm | 0.25 | 0.30 |
H/mm | 1.9 | 2 |
Mv | 0 | 0 |
Rs/mm | 0.8 | 1.2 |
Ms | 3 | 3 |
面热源分配系数a | 0.3 | 0.4 |
体热源分配系数b | 0.7 | 0.6 |
热源效率η | 0.85 | 0.8 |
表2 热源模型参数
Table 2 Geometric parameters of heat source model
热源参数 | 对接焊接热源 | 搭接焊接热源 |
---|---|---|
Rv/mm | 0.25 | 0.30 |
H/mm | 1.9 | 2 |
Mv | 0 | 0 |
Rs/mm | 0.8 | 1.2 |
Ms | 3 | 3 |
面热源分配系数a | 0.3 | 0.4 |
体热源分配系数b | 0.7 | 0.6 |
热源效率η | 0.85 | 0.8 |
温度/ ℃ | 热导率/ (W·℃-1·m-1) | 比热容/ (J·Kg-1·℃-1) | 杨氏模量/ GPa | 热膨胀系数/ (10-6·℃-1) |
---|---|---|---|---|
20 | 8.7 | 534 | 120 | 8.800 |
100 | 9.7 | 546 | 117 | 8.897 |
200 | 10.2 | 588 | 109 | 8.998 |
300 | 10.9 | 628 | 100 | 9.089 |
400 | 12.2 | 670 | 95 | 9.197 |
500 | 13.8 | 712 | 92 | 9.299 |
600 | 15.1 | 755 | 79 | 9.494 |
700 | 16.8 | 838 | 69 | 9.697 |
800 | 18 | 880 | 53.8 | 9.697 |
1000 | 21.4 | 967 | 39.5 | 9.697 |
1200 | 21.4 | 981 | 30 | 9.697 |
1680 | 21.4 | 981 | 5.1 | 9.697 |
表3 TA15钛合金部分热物理性能参数
Table 3 Thermal physical properties of TA15 titanium alloy
温度/ ℃ | 热导率/ (W·℃-1·m-1) | 比热容/ (J·Kg-1·℃-1) | 杨氏模量/ GPa | 热膨胀系数/ (10-6·℃-1) |
---|---|---|---|---|
20 | 8.7 | 534 | 120 | 8.800 |
100 | 9.7 | 546 | 117 | 8.897 |
200 | 10.2 | 588 | 109 | 8.998 |
300 | 10.9 | 628 | 100 | 9.089 |
400 | 12.2 | 670 | 95 | 9.197 |
500 | 13.8 | 712 | 92 | 9.299 |
600 | 15.1 | 755 | 79 | 9.494 |
700 | 16.8 | 838 | 69 | 9.697 |
800 | 18 | 880 | 53.8 | 9.697 |
1000 | 21.4 | 967 | 39.5 | 9.697 |
1200 | 21.4 | 981 | 30 | 9.697 |
1680 | 21.4 | 981 | 5.1 | 9.697 |
焊接顺 序编号 | 焊接顺序 |
---|---|
1 | A1→A2→A3→A4→A5→A6→A7→A8→B1→B2→B3→B4→B5→B6→B7→B8→B9→B10→B11→B12→A9→A10→A11→A12 |
2 | A6→A5→A3→A4→A1→A2→A7→A8→B6→B5→B3→B4→B1→B2→B7→B8→B9→B10→B11→B12→A9→A10→A11→A12 |
3 | A6→A5→A3→A4(反向)→A1→A2(反向)→A7→A8→B6→B5→B3→B4(反向)→B1→B2(反向)→B7→B8→B9→B10→B11→B12→A9→A10→A11→A12 |
表4 焊接顺序
Table 4 Welding sequences
焊接顺 序编号 | 焊接顺序 |
---|---|
1 | A1→A2→A3→A4→A5→A6→A7→A8→B1→B2→B3→B4→B5→B6→B7→B8→B9→B10→B11→B12→A9→A10→A11→A12 |
2 | A6→A5→A3→A4→A1→A2→A7→A8→B6→B5→B3→B4→B1→B2→B7→B8→B9→B10→B11→B12→A9→A10→A11→A12 |
3 | A6→A5→A3→A4(反向)→A1→A2(反向)→A7→A8→B6→B5→B3→B4(反向)→B1→B2(反向)→B7→B8→B9→B10→B11→B12→A9→A10→A11→A12 |
焊接顺序 | 特征点 | 实验变形/mm | 计算变形/mm | 误差/% |
---|---|---|---|---|
焊接顺序1 | P1 | -0.188 | -0.168 | 10.6 |
P2 | 0.196 | 0.178 | 9.2 | |
P3 | 0.222 | 0.198 | 10.8 | |
焊接顺序4 | P1 | -0.063 | -0.066 | 4.8 |
P2 | -0.025 | -0.028 | 12.0 | |
P3 | 0.024 | 0.0210 | 12.5 |
表5 实验结果与计算结果对比
Table 5 Comparisons of experimental and calculated results
焊接顺序 | 特征点 | 实验变形/mm | 计算变形/mm | 误差/% |
---|---|---|---|---|
焊接顺序1 | P1 | -0.188 | -0.168 | 10.6 |
P2 | 0.196 | 0.178 | 9.2 | |
P3 | 0.222 | 0.198 | 10.8 | |
焊接顺序4 | P1 | -0.063 | -0.066 | 4.8 |
P2 | -0.025 | -0.028 | 12.0 | |
P3 | 0.024 | 0.0210 | 12.5 |
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