铝合金焊接技术

钛合金焊接技术

日期：08-12-10 09:00:09 作者：鲜雪强川航机务部

由于钛合金低重量、强度高、耐腐蚀性优异，又具有与先进复合材料在热学、电化学方面的相容性，一直是航空、宇航工业上应用的重要结构材料。焊接作为钛合金加工中的重要手段，在提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本等方面有独特的优势，因此有必要研究飞机结构修理中的钛合金焊接技术。关键词：焊接、疲劳性能、残余应力、疲劳寿命

一、钛合金焊接的重要性

疲劳断裂是材料在交变载荷（或应力）作用下发生的破损断裂。国内外研究表明，飞机结构疲劳破坏是飞机主要破坏形式。早期设计的飞机只考虑静强度问题，直到上个世纪五十年代，随着航空事业的不断发展，飞机性能不断提高，飞机的使用要求不断严格，飞机在使用过程中疲劳破坏与安全可靠性之间的矛盾逐渐暴露出来。

焊接是一种运用（多种情况下为局部）加热或加压手段、添加或不添加填充材料将构件不可拆卸的连接在一起，或在基材表面堆敷覆盖层的加工工艺。焊接技术广泛的应用于国民经济的各个部门，如机械工程、桥梁工程、压力容器船舶工程、航空航天等领域。焊接结构在现代工业中应用越来越广泛，无论是在航天领域还是在一般的工程领域，无论是小部件还是大型结构，都在不断扩大焊接结构的比重。例如，飞机中央翼焊接下壁板是关键承力构件，承受机翼传来的弯矩、扭矩、剪力和油箱压力的作用；在国外第四代战斗机中钛合金含量已达到40%左右。而对于钛合金焊接结构疲劳特性与寿命评估技术的研究则是为实现钛合金结构在先进飞机上的合理使用，所必不可少的前提条件之一。

二、焊接区域材料性能的确定

焊接接头由焊缝、热影响区、母材组成，是一种非均质材料，各向异性。热影响区是焊缝到母材的过渡区域，其材料性能也介于焊缝和母材之间。

在焊接结构分析过程中，焊接接头材料性能的确定是一个很重要的问题，直接影响到分析结果。从严格意义上讲，焊缝、热影响区都是各向异性的，但在现阶段的研究中，几乎全将这两个区域材料看作各向同性材料来处理，这种方法虽然能够满足工程需要，但以理论的眼光看显得相当粗略。

在实际工作中，通常将焊接接头看作分块均匀介质。具体做法无外乎以下几种：（1）母材、热影响区、焊缝具有相同的材料性能；（2）母材和热影响区具有相同的材料性能，而焊缝具有不同的材料性能；（3）母材、热影响区、焊缝具有不同的材料性能；（4）母材和焊缝具有相同的材料性能，而热影响区具有不同的材料性能；（5）焊缝和热影响区具有相同的材料性能，而母材具有不同的材料性能。国内外研究者采用上述方法对不同的焊接件进行了研究。Z.L.Zhang，M.Hauge等人在确定带缺口焊接件真实应力-应变曲线的拉伸试验方法的研究中，将焊接接头看作由母材、热影响区和焊缝三个不同区域组成的各向异性体，这三个不同区域的材料都为各向同性材料。国外研究者M.C.BURSTOW和I.C.HOWARD在焊接件延性裂纹扩张的损伤力学模型研究过程中，假设焊接接头由母材和焊缝两部分组成，且这两个区域材料性能为各向同性体，取得了令人满意的结果。国内也有学者采用同样的假设方法，对关于非均质焊接接头中J积分断裂判据进行研究，将有限元计算结果与实测值进行了比较，并分析了产生误差的原因。国外的研究者曾经同时用上述几种方法对点焊接头进行了分析，显示了不同的材料区域分块方法对计算结果的影响，并讲计算结果与试验所得真实数据进行了比较，结果表明对于此种材料在一定的焊接参数下所得到的点焊接头,方法（4）的误差最小。

三、焊接件疲劳性能的研究

对焊接接头疲劳性能的研究是对焊接件性能进行评估的一个重要方面。这是由于应力集中和具有较差的材料性能，焊接接头经常是焊接结构中的最薄弱区域，此外，很难精确的确定焊缝区和热影响区材料的性能。

疲劳性能评估的方法总的来说可以分为两类：名义应力法和断裂力学的方法，由于焊接件本身的结构特点，下面对适合于焊接件的评估方法进行了简单介绍。

当前焊接件疲劳性能的评估方法基于经验和结构特征，即根据不同的焊接结构几何形状和加载状况，将焊接件进行分类。疲劳寿命用名义应力法进行评估，现阶段对于名义应力的获得，大都采用结构应力或热点应力的方法，此种方法简单的说就是通过焊趾附近距离焊趾不同长度处两点的应力值线性推广得到热点应力值。线性推广的方法有很多种，在用此方法时应该注意：（1）一般用没有偏移的理想的焊接接头进行有限元分析，应该用最大主应力来表达热点应力；（2）计算热点应力时，单元网格应足够精细，网格长度比不大于3。用20节点块元时，单元大小为t×t×t（t为板厚），用8节点和4节点板壳元时，取t×t和0.5t×0.5t；（3）用板壳元的表面应力作为热点应力。也有许多人采用由0.4t和1t处的应力值进行线性推广的方法。热点应力法在现阶段得到了广泛的应用，非常适用于对某一类给定结构的焊接件进行评估，这种方法当然也有其局限性，那就是很难精确确定焊接结构的结构应力，计算结果经常受到单元尺寸和载荷类型的影响。

国外研究者G.Savaidis和M.Vormwald运用热点应力法对客车底部焊接结构进行了数值模拟和试验研究，研究表明国际焊接学会关于简化焊接结构有限单元网格的方法具有足够的精确度，热点应力法计算结果表明失效一般发生在焊趾或热影响区，与试验结果完全吻合，同时作者也指出由于分析结果依赖于热点应力的定义方法，并不能将本文的研究结果推广到一般的工程应用中去。国外研究者P.Dong提出了一种与单元大小无关的热点应力定义方法，并用此方法对焊接接头的疲劳性能进行数值了模拟,取得了较好的结果。

由于焊接接头的特殊结构，我们也可以用断裂力学的方法对焊接结构进行研究。一些研究者提出了假设半径的方法，认为具有相同深度和圆角半径的裂纹和缺口具有相同的疲劳极限，此种方法假设断裂处缺口半径为1mm，缺点是有限元模型的建立比较困难，假设半径的引进对于某些焊接件几何形状的影响比较显著；国外研究者V Dattoma和C Pappalettere用缺口应力强度因子的方法对焊接结构疲劳强度进行了研究。国外研究者David Taylor等分别利用上述两种方法对焊接试件进行了研究，并将试验结果与理论计算结果进行比较。

四、残余应力