钛合金矩形管不仅具有矩形管能量吸收方面的结构特点,而且钛合金重量轻,耐腐蚀能力强。实际使用中,单纯依靠经验很难制定合理的矩形管封焊焊接顺序和工艺措施。本文按照“理论-试验-模拟-生产”模式,针对不等厚壁TC4矩形管封焊问题展开了研究。首先,根据矩形管结构的焊接性特点,设计了钛合金厚板单面TIG焊工艺,针对与矩形管壁厚相同的两种厚板进行了手工TIG焊试验,得到了外观和力学性能良好的焊接接头。同时设计了焊接热循环采集系统,在试验过程中实测到了焊接热影响区的热循环曲线。在厚板试验的基础上,进行了钛合金厚板单面TIG焊温度场模拟,采用生死单元技术实现了填丝过程,采用并行计算技术提高了计算效率。得到的钛合金熔池长宽比较大,符合钛合金热导率低的特性。经熔池边界准则和热循环曲线对比,结果表明试验结果和模拟结果吻合良好,在厚度方向上具有挖掘作用的双椭球热源能很好的体现TIG焊厚板的特点。在此基础上,提出了多层多道焊温度场模拟的要点。进一步根据企业实际情况,对不等厚壁矩形管多层多道封焊的典型焊接顺序和工艺方案进行了模型简化和提取,通过FEM模拟得到了不同条件下的温度场和应力应变场,并进行了相应的分析和规律总结。矩形管焊后焊缝整体向内收缩,产生环焊缝束腰,转角处承受多次热循环发生翘曲。认为矩形管焊前必须点固,在不考虑施焊难度下,点固距离较均匀的方案较优;从中性轴两边焊缝开始施焊的焊接顺序,变形较小;内置定位芯是减小焊接变形的一种方法,但拘束度增大会使残余应力增大。最后利用试验和FEM模拟结果,提出了钛合金不等厚壁矩形管单面焊双面成型的质量控制要点,为矩形管封焊工艺措施的制定和工艺优化方案提供了理论指导。使焊接过程仿真得以实践于真正的工程问题。