高强铝合金薄壁T型构件双光束激光焊接变形规律与控制

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本文以我国大型飞机研制为背景,以飞机壁板结构中高强铝合金双光束激光焊接T型构件为主要研究对象,围绕飞机壁板结构角变形所导致结构制造精度和构件性能下降等核心问题展开分析。针对双光束焊接过程中的角变形问题,从理论角度出发对T型构件角变形的产生机理进行了研究和讨论,建立了高强铝合金T型构件双光束激光同步焊接有限元模型。同时,为了能够更加精确的表示出双光束激光焊接中能量的分配以及衰减过程,修正了现有的焊接热源模型,并基于修正后的热源模型分析了高强铝合金T型构件双光束激光同步焊接温度场、残余应力应变和变形的分布特点,为壁板构件焊接变形控制问题提供了数值上的依据和理论上的指导。此外,以固有应变法计算方法分别预测和分析了不同应变分量分布对于T型构件角变形的影响,发现纵向剪切固有应变分量εxy是T型构件角变形的产生主因。  在此基础上提出在蒙皮背部加入辅助热源的方式来控制角变形的产生,并通过蒙皮熔化阈值计算以及动态屈服应力差值计算得到了辅助热源的具体作用方式,对焊接过程中塑性应变的瞬态变化情况进行了全面的分析,重点分析了辅助热源作用下温度场的和应力应变演变过程,揭示了辅助热源对于变形控制的作用机理为:1.辅助热源影响了激光焊接过程中加热和冷却过程中形成的应力场的大小和分布范围;2.辅助热源影响了剪切固有应变的分布,在两者的共同作用下抑制了高强铝合金T型构件双光束激光焊接过程中角变形的产生。而通过对应力演变过程以及残余应力分析后发现,辅助热源对于焊缝中心拉应力的提升随着冷却的速度的降低而提高,是构件产生了比较明显的收缩塑性应变,造成了残余应力的增加。而无论是加入何种形式的辅助热源(双辅助热源、整形辅助热源),都只能改变近缝区应力的变化趋势,无法降低焊缝中心的拉应力,对焊接残余应力的的影响有限。  针对辅助热源对残余应力调控效果不佳的缺点,提出辅助热源与辅助激冷相结合的方法,对这种辅助热源和辅助激冷作用下的焊接热过程进行了有限元计算。结果表明,背部添加辅助冷却可以显著影响焊接加热和冷却过程中形成的温度演变历程和应力应变场分布。由于辅助激冷的加载使得焊缝中心和近缝区的冷却速度大幅度提高,在焊缝中心产生反向拉伸应力促使残余拉应力被明显地抑制。
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