CN110895634A - 一种面向精确变形控制的2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结构集成模拟方法 - Google Patents

一种面向精确变形控制的2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结构集成模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向精确变形控制的2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结构集成模拟方法。包括步骤：首先对待焊铝锂合金T型接头进行焊前状态精准测量；然后将测量结果作为初始条件建立铝锂合金T型接头热‑力耦合模型并完成参数化设定，再根据被焊件结构形态、焊接工艺、服役性能要求等设计不同的变形控制方案并递交运算，分析比较各个方案焊接接头应力与变形分布情况，选出最佳焊接工艺方案；其次再将焊后应力与变形分布结果作为初始条件建立焊接过程与焊后处理一体化的热‑力耦合模型，并根据实际要求设计不同的焊后处理方案，最后比较各个焊后处理方案的接头应力与变形分布情况，选出最佳全流程工艺方案。

Description

一种面向精确变形控制的2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结 构集成模拟方法
技术领域
本发明属于焊接仿真领域，特别涉及一种面向精确变形控制的2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结构集成模拟方法。
背景技术
随着新一代运载火箭、载人航天工程、探月工程等国家重大航天工程的开展，飞行器的机动性、速度、承载能力、可靠性等指标逐渐提高。新型高比强度材料和大尺寸薄壁复杂结构得到大量采用。铝锂合金作为一种高比强度材料已逐渐走向成熟和国产化，并在航空航天领域具有广泛的应用前景。
在航天大型复杂薄壁舱体制造方面，激光焊接是此类材料和结构的理想连接工艺技术。铝锂合金激光焊接与传统铆接、机加工相比，具有减重效果显著、气密性好、疲劳性能高、生产效率高、容易实现自动化、柔性化等优点。特别在减重方面，使用激光焊接结构替代传统的铆接结构，在相同的结构刚度下，重量可减小约20％，并且成本降低近25％。对于激光焊接壁板，通常采用T型结构双激光束双侧同步焊接，与传统的T型结构单面焊接双面成型工艺不同，双激光束双侧同步焊接工艺可使焊接效率显著提高，且焊接过程中接头成形效果好。特别地，该工艺保证了底板外侧表面的完整性，因而大量应用在航空航天等对外表面气动外形完整性、结构性能完整性要求较高的场合。
采用集成数值模拟技术将焊前状态、焊接过程和焊后处理等多工序流程模型化参数化，实现数据共享与一体化建模的精准集成模拟，通过对焊接过程和焊后处理合理的设计不同的工艺方案，获取关键结果信息，能够科学、有效的指导2.5mm厚度铝锂合金T型接头双光束双侧同步焊接在变形控制方面的探索与优化。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明提供一种面向精确变形控制的2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结构集成模拟方法。目的在于通过集成模拟方法对焊前状态，焊接过程和焊后处理等多工序流程采用不同的工艺组合进行应力和变形的预测和控制，从而在节省试验、缩短研发周期、提高构件的质量的同时优化出合理的焊接全流程工艺参数，以达到改善焊接结构的制造质量、提高其性能。
为达到上述目的，本发明的一种面向精确变形控制的2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结构集成模拟方法，包括步骤如下：
(1).焊前状态精准测量；
(2).焊接过程精确控制；
a.将步骤(1)的测量结果作为初始条件，导入焊接过程模型，建立铝锂合金T型接头焊接模拟过程中的热-力耦合模型并完成参数化设定；
b.根据被焊件结构形态、焊接工艺、服役性能要求等设计不同的变形控制方案并递交运算；
c.分析比较各个方案焊接接头应力与变形分布情况，选出最佳焊接工艺方案，导出焊后应力与变形分布结果。
(3).焊后处理模型化参数化。
a.将步骤(2)的应力与变形分布结果作为初始条件，导入焊后处理模型，建立焊接过程与焊后处理一体化的热-力耦合模型；
b.根据实际要求设计不同的焊后处理方案；
c.分析比较各个焊后处理方案的接头应力与变形分布情况，选出最佳全流程工艺方案；
d.若焊后处理结果不合理可直接返回焊接过程重新进行方案选择与设置。
优选地，在步骤(1)中，焊前状态精准测量包括焊前加工的残余应力分布与变形情况的测量。
优选地，上述步骤的热-力耦合模型，采用考虑焊缝金属材料的热-力耦合模型。
优选地，模拟焊接过程采用双光束双侧同步焊接方法。
优选地，焊接热源模型采用Fortran语言编写的高斯旋转体热源模型，并通过相关子程序完成加载。
优选地，在步骤(3)中，对于不允许进行焊后热处理的铝合金，在步骤(2)中应采用能量更加集中的焊接方法和小线能量焊接。
优选地，本集成模拟方法旨在实现多工序全流程数据共享与一体化建模。
本发明的有益效果：
本发明的一种面向精确变形控制的2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结构集成模拟方法，通过集成模拟方法对焊前状态，焊接过程和焊后处理等多工序流程进行精准数值模拟，开展焊接接头的多工序流程应力与变形计算和分析，获得控制全流程应力与变形的最优工艺。
集成数值模拟方法不仅对焊接过程进行精准仿真，而且把焊前工件加工状态与焊接过程和焊后处理进行集成耦合，实现全流程数据共享与一体化建模。通过在各个过程设置不同的应力与变形控制方案，可以更加准确地对全流程应力和变形进行预测和控制，形成2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结构全流程应力和变形仿真的定量研究方法，在该领域具有显著的铺垫意义。
附图说明
图1为本发明方法的集成模拟步骤流程图；
图2为2.5mm厚度铝锂合金T型接头尺寸图；
图4为高斯旋转体热源模型；
图5(a)为方案1的装夹方式，图5(b)为方案1焊后变形分布情况，图5(c)为方案1焊后残余应力分布情况；
图6(a)为方案2的装夹方式，图6(b)为方案2焊后变形分布情况，图6(c)为方案2焊后残余应力分布情况；
图7(a)为方案2焊后残余应力分布情况，图7(b)为焊后热处理残余应力分布情况。
其中，1、5A90底板，2、5A90立板，3、焊丝，4、激光束，5、喷嘴，6、焊缝。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的一种面向精确变形控制的2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结构集成模拟方法，流程具体如下：
首先对待焊铝锂合金T型接头进行非破快性的焊前状态精准测量；然后将测量结果作为初始条件，导入焊接过程模型，建立铝锂合金T型接头热-力耦合模型并完成参数化设定，再根据被焊件结构形态、焊接工艺、服役性能要求等设计不同的变形控制方案并递交运算，分析比较各个方案焊接接头应力与变形分布情况，选出最佳焊接工艺方案，并导出焊后应力与变形分布结果；其次再将焊后应力与变形分布结果作为初始条件，导入焊后处理模型，建立焊接过程与焊后处理一体化的热-力耦合模型，再根据实际要求设计不同的焊后处理方案，最后比较各个焊后处理方案的接头应力与变形分布情况，选出最佳全流程工艺方案。若最终结果不合理，可返回焊接过程重新制定方案，以完成集成模拟。
以下以2.5mm厚度铝锂合金5A90T型接头焊接结构集成模拟为实例，阐述本发明方法的完整流程。
首先对待焊2.5mm厚度铝锂合金5A90T型接头进行非破快性的焊前状态精准测量。并将测量结果作为初始条件，导入焊接过程模型。具体地，包括焊前加工的残余应力分布与变形情况的测量，将测量结果制成表格导入焊接过程模型。
然后建立2.5mm厚度铝锂合金5A90T型接头热-力耦合模型并完成参数化设定。具体地，建立的热-力耦合模型，采用考虑焊缝金属材料的热-力耦合模型，并且此次焊接模拟过程采用双光束双侧同步焊接方法，焊接热源模型采用Fortran语言编写的高斯旋转体热源模型，并通过相关子程序完成加载。其中，图2为用三维建模软件建立的三维几何模型，其中立板尺寸为405mm×35mm×2.5mm，底板尺寸为：405mm×60mm×2.5mm。图3为铝锂合金5A90T型接头双光束双侧同步焊接原理图，图4为高斯旋转体热源模型。
再根据被焊件结构形态、焊接工艺、服役性能要求等设计不同的变形控制方案并递交运算，分析比较各个方案焊接接头应力与变形分布情况，选出最佳焊接工艺方案。具体地，制定的变形控制方案主要设置为边界条件不同，其中包括装夹条件和焊接热源参数。图5和图6分别为2.5mm厚度铝锂合金5A90T型接头双光束双侧同步焊接用装夹方案1和装夹方案2后应力与变形的分布情况。对比两图可以看出，两种方案的应力分布大致相同但变形分布不同。具体为：方案1的最大应力为210Mpa出现在焊缝位置，最大变形量为0.1114mm，发生在底板中间；方案2的最大应力217.9Mpa也是出现在焊缝位置，最大变形量为0.2781mm，发生在底板边缘。综合考虑，由于两种方案的最大应力均低于5A90的屈服强度，且相差不大，因此初步确定最大变形量较小且发生在底板边缘的方案2为焊接过程最优方案。
其次再将焊后应力与变形分布结果作为初始条件，导入焊后处理模型，建立焊接过程与焊后处理一体化的热-力耦合模型，再根据实际要求设计不同的焊后处理方案，最后比较各个焊后处理方案的接头应力与变形分布情况，选出最佳全流程工艺方案。具体地，建立的焊接过程与焊后处理一体化热-力耦合模型与焊接热-力耦合模型有一致的网格和节点；导入的方案2的应力与变形分布结果是作为一体化热-力耦合模型的初始条件。主要设置为：在焊后处理热-力耦合模型中新建一个包含应力、变形和整体等效塑性应变的初始状态变量；设计不同的焊后处理方案主要为焊后冷却与热处理。值得一提的是铝锂合金5A90为可热处理铝合金，对于不允许进行焊后热处理的铝合金，在焊接过程应采用能量更加集中的焊接方法和小线能量焊接或者焊后处理上应选择冷却方法不同的方案。图7为2.5mm厚度铝锂合金5A90T型接头双光束双侧同步焊接焊后残余应力与焊后热处理残余应力对比图。可以发现，在焊后进行初步热处理后的铝锂合金5A90T型接头的最大应力为167.6Mpa，比方案2低了近50Mpa。因此，可选择方案2与焊后热处理作为全流程最佳工艺方案，这也反应出了本发明的集合模拟方法的有效性。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种面向精确变形控制的2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结构集成模拟方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1).焊前状态精准测量；
(2).焊接过程精确控制；
a.将步骤(1)的测量结果作为初始条件，导入焊接过程模型，建立铝锂合金T型接头焊接模拟过程中的热-力耦合模型并完成参数化设定；
b.根据被焊件结构形态、焊接工艺、服役性能要求等设计不同的变形控制方案并递交运算；
c.分析比较各个方案焊接接头应力与变形分布情况，选出最佳焊接工艺方案，导出焊后应力与变形分布结果。
(3).焊后处理模型化参数化。
a.将步骤(2)的应力与变形分布结果作为初始条件，导入焊后处理模型，建立焊接过程与焊后处理一体化的热-力耦合模型；
b.根据实际要求设计不同的焊后处理方案；
c.分析比较各个焊后处理方案的接头应力与变形分布情况，选出最佳全流程工艺方案；
d.若焊后处理结果不合理可直接返回焊接过程重新进行方案选择与设置。
2.根据权利要求1所述的一种面向精确变形控制的2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结构集成模拟方法，其特征在于，上述步骤(1)中，焊前状态精准测量包括焊前加工的残余应力分布与变形情况的测量。
3.根据权利要求1所述的一种面向精确变形控制的2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结构集成模拟方法，其特征在于，上述步骤的热-力耦合模型，采用考虑焊缝金属材料的热-力耦合模型。
4.根据权利要求1所述的一种面向精确变形控制的2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结构集成模拟方法，其特征在于，模拟焊接过程采用双光束双侧同步焊接方法。
5.根据权利要求1所述的一种面向精确变形控制的2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结构集成模拟方法，其特征在于，焊接热源模型采用Fortran语言编写的高斯旋转体热源模型，并通过相关子程序完成加载。
6.根据权利要求1所述的一种面向精确变形控制的2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结构集成模拟方法，其特征在于，上述步骤(3)中，对于不允许进行焊后热处理的铝合金，在步骤(2)中应采用能量更加集中的焊接方法和小线能量焊接。
7.根据权利要求1所述的一种面向精确变形控制的2.5mm厚度铝锂合金T型接头焊接结构集成模拟方法，其特征在于，本集成模拟方法旨在实现多工序全流程数据共享与一体化建模。
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