一種鈦合金結構體外板焊縫設置工藝研究

徐曦榮，劉鴻彥，朱金飛

（南京寶色股份公司，江蘇 南京 211178）

1 概述

為進一步研究某鈦合金結構體雙曲率外板對接焊縫與徑向加強筋錯開位置不同可能對外板產生的焊接應力及變形量的影響，擬通過有限元仿真分析計算和開展雙曲率外板焊縫試驗件進行實物驗證及其相關檢驗檢測工作，以確定其雙曲率外板焊縫的最佳設置方案，盡可能降低鈦合金結構體雙曲率外板對接焊縫潛在的質量風險。

2 外板對接焊縫錯位焊接研究方案設計

某鈦合金結構體雙曲率外板對接焊縫焊接研究模塊選取自整個鈦合金結構體以左右2#徑向加強筋向外50mm與1號、2號水平筋向外100mm范圍內區域（具體結構參見下圖1所示），設計雙曲率外板對接焊縫與徑向加強筋錯開位置不同而對外板產生的焊接應力及變形量的影響進行研究、評估，并通過有限元仿真計算及制作焊接試驗件進行實物驗證，以確定雙曲率外板焊縫的最佳布置方案，確保鈦合金結構體的質量穩定、可靠。

3 外板對接焊縫錯位焊接仿真計算研究

3.1 焊接幾何模型

鈦合金結構體雙曲率外板對接焊縫錯位焊接幾何模型（以下檢測“外板錯位焊接幾何模型”）參見上圖1所示。

3.2 材料屬性與工藝參數

外板錯位焊接幾何模型構件，由水平、徑向加強筋及4mm外板焊接構成。外板材料為鈦合金A，加強筋材料為鈦合金B，材料力學性能如下表1：

外板錯位焊接幾何模型先焊接水平與徑向加強筋，然后焊接外板，最后進行外板拼焊的裝配焊接。焊接采用TIG手工氬弧多層多道焊，第一層進行點固，第二層打底，第三層進行蓋面填充，其焊接坡口如下2圖所示：

打底焊層和蓋面焊層工藝參數如下表2所示：

圖1 鈦合金結構體雙曲率外板對接焊縫焊接研究模塊示意圖

表1 材料力學性能

3.3 焊接仿真計算

基于visual-weld焊接仿真軟件，對外板錯位焊接幾何模型的焊接方案進行了有限元分析。通過對焊接過程的模擬和熱力耦合分析，獲取了其焊接溫度場的動態變化過程及焊接過程完成后構件內的殘余應力分布，構件殘余應力主要分布于沿焊縫方向的焊接填充材料以及焊接熱影響區，對于焊接方案a、b、c、d、e，其最大殘余應力分別達到了433MPa，468MPa，455MPa，398MPa，513MPa。在焊接變形量方面，主要關注沿外殼板曲面法向方向的變形，五種方案焊縫中心都存在向內收縮，在焊縫附近取得變形量負的極小值，變形量分別為1.223mm，1.056mm，1.229mm，1.688mm，0.632mm。

圖2 焊接坡口示意圖

3.4 焊接仿真計算結論

由鈦合金結構體雙曲率外板對接焊縫錯位焊接仿真結果可知，焊縫位置距離徑向加強筋越遠，構件的焊接殘余應力越小，同時其焊接變形量越大。在方案選擇方面，相較其他方案，焊縫方案e位于徑向加強筋上方，從控制外板曲面變形的角度出發，此焊接方案焊接變形為最優。

表3 外板對接焊縫錯位焊接模擬件材料表

表4 外板組裝后、焊接前凹凸度檢測數據表

表5 外板焊接后凹凸度檢測數據表

4 外板對接焊縫錯位焊接模擬件試制

4.1 焊接模擬件方案設計

通過制作1：1外板對接焊縫錯位焊接模擬件，分別將外板拼接焊縫設置于距離徑向加強筋50mm、75mm、100mm、175mm及徑向加強筋中間位置進行模擬外板拼縫焊接，并在焊接前后分別測量模擬件拼焊縫處外板的變形量，以及外板拼焊縫位置處焊接后及超聲波消應力后的焊縫殘余應力，并對比分析以確定外板最佳對接焊縫位置。

表6 外板焊接消應力前、后焊縫殘余應力檢測數據表

4.2 焊接模擬件結構及材料

外板對接焊縫錯位焊接模擬件為焊接構件，其結構參見上圖1所示 ，其具體材料參見下表3所示 。

4.3 焊接模擬件制作

外板對接焊縫錯位焊接模擬件按照設計圖紙完成各零部件加工后進行組裝、焊接、無損檢測、消應力處理及應力檢查工作。

通過使用檢測樣板對外板對接焊縫錯位焊接模擬件焊接前、后外板凹凸度檢測數據可以得出，當焊縫置于徑向加強筋上時，其焊接變形最小；外板與加強筋焊接及外板拼縫焊接后，其變形量最大為2mm。當焊縫置于其它位置時，距離徑向加強筋越遠，整體焊接變形越大，當焊縫位于兩徑向加強筋中間時，焊接變形量最大為7mm。具體外板焊接前、后凹凸度檢測數據見下表4和表5所示。

外板對接焊縫錯位焊接模擬件焊接后，外板對接焊縫未進行超聲波消應力處理時，其焊縫殘余應力隨著焊縫錯開徑向加強筋距離的減小而逐步增大，其殘余應力值處于320MPa～490MPa之間，即外板焊縫置于徑向加強筋時的焊縫殘余應力最大，而外板焊縫置于兩根徑向加強筋中間的殘余應力最小。通過對焊縫進行超聲波消應力處理后，外板焊縫表層產生較大的壓縮塑性變形，改變了焊縫原有的應力場，消除了一半以上的焊接殘余應力，其殘余應力消除率在50%～75%之間。具體殘余應力檢測數據參見下表6所示。

4.4 焊接模擬件試制結論

根據外板對接焊縫錯位焊接模擬件焊接前、后實際測量的外板變形數據及殘余應力測試結果可以得出，當將焊縫位于徑向加強筋上時，其焊接變形量小而其焊接殘余應力則相對較大；當焊縫位于其它位置時，距離徑向加強筋越遠，外板焊縫整體焊接變形越大，焊縫殘余應力則隨之產生不規則變化，但基本趨于較小狀態。通過對焊縫進行超聲波消應力處理后，外板焊縫表層產生較大的壓縮塑性變形，改變了焊縫原有的應力場，可有效消除外板焊縫的殘余應力。

5 結論

綜上所述，無論從有限元仿真分析計算還是焊接模擬件試制結果都可以得出，外板對接焊縫位置距離徑向加強筋越遠，外板焊縫表面的焊接殘余應力越小，同時其焊接變形量越大。故在方案選擇方面，相較其他四種方案，方案e焊縫位于徑向加強筋上方，從控制外板曲面變形角度出發，此焊縫方案焊接變形量為最小；再者，從實際焊接裝配操作角度出發，焊縫方案e更易于外板的定位組裝與對接。因此，在鈦合金結構體外板焊縫設置方案中，外板對接焊縫位于徑向加強筋上方為最優選擇。