钛合金拥有密度幼、比强度高、耐热、耐蚀性好、可加工性及抗委顿性良好蹬着点。焊接是钛合金在工业利用过程中的沉要技术[1]。钛合金属于活跃金属，在焊接过程中易产生缺点，热源加载不均匀且急剧，在焊接件中易产生残存应力与畸变，影响其结构不变、承载能力和抗委顿机能[2]。焊接过程涉及变量较多，以出产经验领导焊接成本较高且不切合现实，因而有必要通过推算机数值仿照获得焊接过程的定量意识[3]。
杨露等[4]对TC4?ＥＬＩ合金夹角为171.98°的对接多层焊进行仿照，并对其残存应力散布进行试验验证。曾泽群等[5]使用弹性有限元步骤推算了TC4钛合金Ｖ型坡口对接焊残存应力的开释，但试验了局与仿照值仍存在肯定误差。李良碧等[6]对TC4及Ti80钛合金焊后热处置过程进行仿照，发现Ｎｏｒｔｏｎ蠕变模型对焊后热处置过程进行数值仿照比力合理。刘文化等[7]探索了不锈钢多层多路焊后热处置对残存应力的影响，发现仿照值与丈量值仍存在肯定误差。吕刘帅等[8]对镍基合金管路Ｖ型坡口焊接及热处置过程进行了仿照，发现适当升高温度进行焊后热处置，能够在短功夫内有效降低残存应力。杜永勤等[9]钻研了分歧热处置对TC4合金钨极氩弧焊接头的影响，发现650℃×1h前提下焊接件力学机能最好。目前已有钻研中针对TC4钛合金中厚板多层钨极氩弧焊及焊后热处置的仿照少有涉及，本文针对某厂出产的车辆用悬架结构件TC4钛合金焊接件，使用Ａｎｓｙｓ成立其焊接部位的等效数值模型，探索焊接及焊后热处置过程中的温度及应力变动法规，并分析接头组织的变动。
1、试验资料与步骤
1.1 试验资料
试验资料为两块300mm×150mm×20mm的退火态TC4钛合金板，重要化学成分如表1所示，显微组织如图1所示，为等轴组织描摹，其中β相破碎严沉，均匀散布于α相基底上，焊缝处填充资料为同质TC4合金实心焊丝。
1.2 试验步骤
焊接仿照基于国内某厂手工钨极氩。ǎ裕酰睿纾螅簦澹睿椋睿澹颍?ｇａｓ，TiＧ）焊参数：接头类型为对接接头，开60°Ｘ型坡口，焊接路数为7路。氩气纯度≥99.99％，气流量为25L/min，焊接速度为2.5mm／ｓ，焊接工艺参数如表2所示。热源模型选择高斯散布的面热源[10]，使用生死单元技术仿照双面交替多路焊时焊丝填充。为了明确把握焊接件在焊接及焊后热处置过程中的温度场、应力场等变动法规，如果钛合金板处于梦想状态，仅思考热的作用，而不受其他任何表加载荷，也不思考初始应力和变状态态。综合思考仿照精度及推算效能，将靠近焊缝处网格进行加密，模型共划分为25550个单元格，为定量分析各方向温度及应力变动，成立特点线ｐａｔｈ1，同时，选取Ｘ射线衍射法沿ｐａｔｈ1对焊接件残存应力进行检测，如图2（ａ）所示，焊接坡口及焊接挨次如图2（ｂ）所示。焊后热处置（Ｐｏｓｔ?ｗｅｌｄｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ＰＷＨＴ）工艺为650℃保温4ｈ，升和善冷却速度节造在200℃／ｈ以下。
2、了局与会商
2.1 温度场仿照了局及分析
由于焊接过程中使用到部门高度集中的移动瞬时热源，产生不均匀和不不变的温度场是引起焊接畸变的底子原因。因而温度场的正确性是分析应力应变的前提。如图3所示，热源加载处温度最高为2056.5℃，温度线由热源朝母材区及厚度方向均匀扩散，逐步降落，热源前方的等温线相对密集，温度梯度较大；热源后方等温线较稀少，温度梯度较幼，又由于TC4钛合金的导热机能差，所以温度场云图领域幼。固然各层温度变动法规一样，但由于热源瞬时给焊接构件的热能分歧，各层焊缝所能达到的温度也分歧，其中第1层焊的峰值温度最低（2183.6℃），第5层最高（2337.8℃），如图4（ａ）所示。打底焊在后续正背面交替焊接时会经历屡次焊接热循环的“热处置”作用，填充层和盖面层焊缝同样也经历了分歧特点的热循环，第1、4、7层焊缝中心点温度变动如图4（ｂ）所示。
TC4钛合金的机能由组织决定，分析上述焊接工艺对接头组织的影响：在焊接冷却阶段，焊缝处熔池凝固转变为高温β相，柱状晶以晶界跳跃式位移的方式竞相成长。由于焊缝冷却速度较快，抑造了晶粒的扩散分化，在晶粒内部，体心立方的β相以切变的方式转变为密排六方的αｍ（Ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅα）相，产生马氏体转变，分支路次焊缝的组织组成一致，由于TC4合金中存在肯定量的元素Ｖ，使少量高温β相在冷却过程中保留在马氏体板条之间，与马氏体呈联生状态，部门αｔ（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄα）相在含有较多α不变元素的β晶界形核，当温度进一步降低时，αｔ相才起头在β晶粒内部析出，如图5（ａ）所示；αｍ相形核长大后，随着后续冷却均匀析出藐幼的颗粒状αｇ（Ｇｒａｎｕｌａｒα）相，如图5（ｂ）所示。由于分支路次热输入量分歧，且在多层焊时，后一路热循环会对前一路焊缝产生热处置成效，可能均匀细化组织，因而热输入最幼的打底焊的马氏体均匀尺寸最幼，为19.5μｍ，盖面层固然焊接热输入不高，但由于未受到热处置作用，马氏体均匀尺寸最粗壮，为96.2μｍ，各层马氏体尺寸如图5（ｃ）所示。母材区组织仍为初始的退火态等轴组织，扰装响区组织为焊缝区与母材区之间的混合过渡组织。
由于焊接过程中产生较大的温度梯度，各部位由于冷速分歧获得分歧的组织。焊接件各部门组织机能不均匀，因而，有必要对其进行合理的焊后热处置，以满足现实的使用要求，选取箱式电阻炉对TC4钛合金焊接件进行650℃×4ｈ，空冷的退火处置。
TC4钛合金焊接接头经ＰＷＨＴ后，晶格出现应力松弛。在高于400℃时，αｍ起头分化为次生α＋β相，随着热处置温度升高，在700℃时αｍ齐全转变为次生α＋β相[11]。本文ＰＷＨＴ后次生（α＋β）相和αｍ相共存，原始β晶界逐步变吞吐，次生β相呈白色颗粒状或短棒状弥散散布，如图6（ａ，ｂ）所示。并结合ＸＲＤ数据进行分析：选取高斯?洛伦兹曲线拟合，利用3个强度最大的峰获得半高宽（ＦＷＨＭ），以调查加热过程中晶格应变的演变。试样在2θ＝40.42°的峰值最高，该峰对应的是（1011）晶面，批注试样中该晶面的取向出格强烈，其ＰＷＨＴ前后半高宽别离为0.39与0.29。第二强峰为2θ＝38.52°，对应（0002）晶面，其ＰＷＨＴ前后半高宽别离为0.48与0.27。第三强峰为2θ＝35.36°，对应（1010）晶面，其ＰＷＨＴ前后半高宽别离为0.36与0.34。经ＰＷＨＴ后（0002）α衍射峰产生“峰割裂”，新（0002）峰位于36°～38°区间，但强度较低。在（1011）晶面的底部2θ＝39.6°观察到一个宽肩峰，对应于（110）β，这证实了αｍ相分化为次生（α＋β）相。这些晶面的ＦＷＨＭ降低5.56％～43.75％，批注TC4钛合金的结晶度随着内部缺点的解除和残存应力的解除而得到改善。
2.2 应力场仿照了局及分析
基于热弹塑性理论，在温度场的基础上挨次耦合应力场，对ＰＷＨＴ前后残存应力散布进行分析，TC4合金TiＧ焊后未经热处置时焊缝的残存应力散布云图如图7所示。
为定量相识焊态与ＰＷＨＴ态TC4钛合金焊缝的残存应力散布情况，网络特点线ｐａｔｈ1分歧方向上的残存应力散布数据，如图8所示。“-”暗示压应力，“＋”暗示拉应力。焊接过程中受热作用较幼的母材区对焊接板膨胀的限度，焊缝区左近存在残存应力。焊缝区溶解过程产生的应力忽略不计，焊后冷却过程中金属受到相邻金属的限度，产生残存拉应力，并随冷却的进行不休增大，但β相以切变的方式转变为αｍ相，体积略微膨胀，焊态焊缝中心产生的横向拉应力较幼，如图8（ａ）所示。焊接过程中热源脱离以来，焊缝区左近的扰装响区受热传导的作用持续升温，金属的膨胀受到限度，产生残存压应力，如图8（ｂ）所示，在随后的冷却过程中，由于焊缝区产生的反作使劲，压应力持续增长，直至整个焊接板的应力平衡[10]。经ＰＷＨＴ后，横向最大残存拉应力试验值由232.1MPa降为127.8MPa，最大残存压应力由5.7MPa降为0.9MPa。
纵向最大残存拉应力试验值由479.5MPa降为332.5MPa，最大残存压应力由54.3MPa降为12.5MPa。垂直焊接方向的残存应力呈对称散布，与温度场散布法规根基一样，近焊缝处残存应力较大，为易断裂地位。此焊接件残存应力变动法规与沙宇程[12]通过Ａｎｓｙｓ、ＸＲＤ等伎俩对钛合金在焊后热处置工艺下的残存应力分析拥有一致性。
3、结论
仿照焊接及焊后热处置过程，分析TC4钛合金焊接接头组织及残存应力变动，重要结论如下：
1）使用Ａｎｓｙｓ软件仿照TC4钛合金钨极氩弧焊及焊后650℃退火处置过程。焊接过程中各层焊缝由于热输入分歧，其温度也分歧，其中第1层焊的峰值温度最低（2183.6℃），第5层最高（2337.8℃），打底层与填充层经后续焊接热循环的“热处置”作用，与盖面层经历了分歧特点的热循环，焊缝区各层马氏体尺寸
由19.5μｍ向96.2μｍ变动。
2）焊后焊缝区重要由αｍ相＋少量β相＋部门αｔ相＋析出αｇ相组成，母材区为初始的退火态等轴组织，扰装响区为焊缝区与母材区之间的混合过渡组织。
经ＰＷＨＴ后，焊缝区部门αｍ相转变为次生（α＋β）相；并由ＸＲＤ图谱观察到（0002）α衍射峰产生“峰割裂”，在2θ＝39.6°处观察到新峰（110）β，同时ＦＷＨＭ降低5.56％～43.75％，批注TC4钛合金的结晶度随着残存应力的解除而得到改善。
3）TC4钛合金焊后残存应力重要集中在焊缝左近，此为易断裂地位。垂直焊接方向的残存应力呈对称散布，与温度场散布法规根基一样，经ＰＷＨＴ后各项残存应力均降低。
参考文件：
[1]许艳飞，文 璟，肖逸锋，等.TC4／ＴＣ18异种钛合金焊接头的组织机能钻研及数值仿照[Ｊ].金属热处置，2017，42（1）：166?170.
ＸｕＹａｎｆｅｉ，ＷｅｎＪｉｎｇ，ＸｉａｏＹｉｆｅｎｇ，ｅｔａｌ.ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒTiｅｓｏｆTC4／ＴＣ18ｄｉｓｓｉｍｉｌａｒTiｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａTiｏｎ[Ｊ].ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＭｅｔａｌｓ，2017，42（1）：166?170.
[2]李立峰，黎刚刚，马天驹，等.焊后热处置对钛合金电子束焊接接头残存应力散布的影响[Ｊ].热加工工艺，2019，48（17）：154?157.
ＬｉＬｉｆｅｎｇ，ＬｉＧａｎｇｇａｎｇ，ＭａTiａｎｊｕ，ｅｔａｌ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｐｏｓｔ?ｗｅｌｄｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕTiｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓｏｆTiｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ[Ｊ].ＨｏｔＷｏｒｋｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2019，48（17）：154?157.
[3]张鹏省，毛幼南，赵永庆，等.世界钛脊合金产业近况及发展趋向[Ｊ].罕见金属快报，2007（10）：1?6.
ＺｈａｎｇＰｅｎｇｓｈｅｎｇ，ＭａｏＸｉａｏｎａｎ，ＺｈａｏＹｏｎｇｑｉｎｇ，ｅｔａｌ.ＩｎｄｕｓｔｒｙｓｔａｔｕｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｗｏｒｌｄTiｔａｎｉｕｍａｎｄTiｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓ[Ｊ].ＲａｒｅＭｅｔａｌｓＬｅｔｔｅｒｓ，2007（10）：1?6.
[4]杨 露，王 芳，张学忠，等.钛合金Ti?6Ａｌ?4ＶＥＬＩ厚板多层多路焊试验与数值仿照[Ｊ].船舶工程，2021，43（2）：122?127.
ＹａｎｇＬｕ，ＷａｎｇＦａｎｇ，ＺｈａｎｇＸｕｅｚｈｏｎｇ，ｅｔａｌ.ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａTiｏｎｏｎｍｕｌTi?ｌａｙｅｒａｎｄｍｕｌTi?ｐａｓｓｗｅｌｄｉｎｇｏｆTiｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙTi?6Ａ1?4ＶＥＬＩｔｈｉｃｋｐｌａｔｅｓ[Ｊ].ＳｈｉｐＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，2021，43（2）：122?127.
[5]曾泽群，杨冠华，刘 柯，等.TC4钛合金对接板焊接残存应力仿真分析与试验验证[Ｊ].焊接技术，2023，52（3）：19?23.
ＺｅｎｇＺｅｑｕｎ，ＹａｎｇＧｕａｎｈｕａ，ＬｉｕＫｅ，ｅｔａｌ.ＳｉｍｕｌａTiｏｎａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖｅｒｉｆｉｃａTiｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｉｎTC4Tiｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｂｕｔｔｐｌａｔｅ[Ｊ].ＷｅｌｄｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2023，52（3）：19?23.
[6]李良碧，沙宇程，万正权，等.热处置对800MPa级钛合金对接焊平板残存应力影响的数值仿照[Ｊ].舰船科学技术，2021，43（3）：31?35.
ＬｉＬｉａｎｇｂｉ，ＳｈａＹｕｃｈｅｎｇ，ＷａｎＺｈｅｎｇｑｕａｎ，ｅｔａｌ.ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａTiｏｎｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｏｆTi80ｆｌａｔｂｕｔｔｗｅｌｄｉｎｇｊｏｉｎｔ[Ｊ].ＳｈｉｐＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2021，43（3）：31?35.
[7]刘文化，欧阳凯，张新明，等.焊后热处置对Ｓ30408／Ｑ345Ｒ复合板焊接接头残存应力的影响[Ｊ].资料热处置学报，2023，44（3）：
217?226.
ＬｉｕＷｅｎｍｉｎｇ，ＯｕＹａｎｇＫａｉ，ＺｈａｎｇＸｉｎｍｉｎｇ，ｅｔａｌ.Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｏｓｔ?ｗｅｌｄｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｒｅｓｉｄｕａｓｔｒｅｓｓｏｆｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｏｆＳ30408／0345Ｒｃｌａｄｐｌａｔｅ[Ｊ].ＴｒａｎｓａｃTiｏｎｓｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔ，2023，44（3）：217?226.
[8]吕刘帅，张幼春，苏 博，等.镍基合金管路环形焊接与焊后热处置仿照[Ｊ].热加工工艺，2021，50（3）：128?133.
ＬüＬｉｕｓｈｕａｉ，ＺｈａｎｇＸｉａｏｃｈｕｎ，ＳｕＢｏ，ｅｔａｌ.ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａTiｏｎｏｆｐｉｐｅｇｉｒｔｈｗｅｌｄｉｎｇａｎｄｐｏｓｔ?ｗｅｌｄｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｎｉｃｋｅｌ?ｂａｓｅｄａｌｌｏｙ[Ｊ].ＨｏｔＷｏｒｋｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2021，50（3）：128?133.
[9]杜永勤，祝晓辉，刘 敏.等.Ti?6Ａｌ?4Ｖ合金焊后热处置工艺钻研[Ｊ].金属加工（热加工），2021（6）：47?50.
[10]于 澜.ＴＡ15钛合金构件TiＧ焊接过程的数值仿照[Ｄ].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.
ＹｕＬａｎ.ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａTiｏｎｏｆＴＡ15TiｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｄｕｒｉｎｇTiＧｗｅｌｄｉｎｇ[Ｄ].Ｈａｒｂｉｎ：ＨａｒｂｉｎＩｎｓTiｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2007.
[11]ＫａｓｃｈｅｌＦ，ＶｉｊａｙａｒａｇｈａｖａｎＲ，ＳｈｍｅｌｉｏｖＡ，ｅｔａｌ.ＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｔｒｅｓｓｒｅｌａｘａTiｏｎａｎｄｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａTiｏｎｉｎａｄｄｉTiｖｅｌｙｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄTi?6Ａｌ?4ＶｖｉａｉｎｓｉｔｕｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＸＲＤａｎｄＴＥＭａｎａｌｙｓｅｓ[Ｊ].ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，2020，188：720?732.
[12]沙宇程.热处置对钛合金耐压球壳焊接残存应力影响钻研[Ｄ].宜昌：江苏科技大学，2020.
ＳｈａＹｕｃｈｅｎｇ.ＥｆｆｅｃｔｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｗｅｌｄｉｎｇｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｏｆTiｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｐｒｅｓｓｕｒｅｓｐｈｅｒｉｃａｌｓｈｅｌｌ[Ｄ].Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ：ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2020.
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