TA15典型飞机结构件焊接修复后局部感应热处理过程数值仿真研究.pdf

摘要

TA15典型飞机结构件在服役过程中常发生裂纹、凹坑、磨损等损伤，导致

零件失效，如果不及时处理会导致零件失效，通常采用焊接或增材方式修复。但

在焊接修复过程中不可避免会产生组织不均匀和残余应力，因此热处理是必不可

少的环节。本文以TA15钛合金典型飞机结构件为研究对象，采用模拟与试验相

结合的研究方法，构建典型飞机结构件局部感应加热耦合模型，确定合理的线圈

形式，探究局部感应热处理过程中感应加热器结构参数和感应加热工艺参数对温

度场的影响规律，以及残余应力场在感应热处理过程中的演变过程。

基于电磁场和温度场理论，构建TA15钛合金典型飞机结构件感应加热过程

有限元模型，依据相应频率下的集肤层深度对边界层网格进行加密划分，通过间

接耦合的方式获得感应加热温度场结果，对比分析两种线圈形式下的磁场分布以

及温度场分布结果，确定合适的线圈形式分别为圆形线圈和矩形线圈，并对典型

曲面结构件添加圆形线圈形式情况开展感应加热试验，校核同一点处的升温曲线，

二者误差在5%以内，验证模拟计算的准确性。

通过控制变量法研究线圈匝数、线圈距工件表面距离、线圈半径、线圈层数、

匝间距以及层间距等感应加热器结构参数对温度场的影响规律，依据加热速度和

温度场分布特点，提出合理的感应加热器结构参数，随着线圈匝数、层数的增加，

线圈半径、匝间距、层间距以及线圈距工件表面距离的减小，感应加热速度增加。

研究电流强度、电流频率、加热时间等感应加热工艺参数对温度场的影响规

律，通过调节各工艺参数条件，分析典型飞机结构件热处理区域内温度、沿宽度

方向的温度场和磁场分布变化，实现典型飞机结构件局部温度场的可控性，并对

工艺优化后的感应热处理温度场结果进行计算，较好地满足了热处理温度要求，

且温度均匀性较好。

构建感应热处理二维磁-热-力多物理场耦合模型，获得焊接修复后结构件局

部位置残余应力场的分布特征，作为初始残余应力场进行局部感应热处理过程的

模拟计算，研究局部热处理动态温度场作用下残余应力的演化过程，准确掌握局

部热处理对残余应力的影响规律，经感应热处理后结构件内残余应力显著降低，

分布更均匀。

关键词：TA15钛合金；感应加热；温度场均匀性；有限元；残余应力

Abstract

DuringtheserviceoftypicalaircraftcomponentsmadeofTA15,cracks,dents,

andweardamagesoftenoccur,whichleadtocomponentfailure.Weldingoradditive

methodsaregenerallyutilizedforrepair,buttheyunavoidablyresultinuneven

structureandresidualstresses,whichmakeheattreatmentanecessarystep.Thisstudy

focusesontypicalaircraftstructuralpartsmadeofTA15titaniumalloy.Bycombining

simulationandexperimentalresearchmethods,thisstudyconstructsalocalinduction

heatingcouplingmodeloftypicalaircraftcomponentstodeterminetheidealcoilform.

Thestudyexplorestheinfluenceoftheinductionheatersstructuralparametersand

inductionheatingprocessparametersonthetemperaturefieldduringthelocalinduction

heatingprocessandtheevolutionprocessoftheresidualstressfieldintheinduction

heattreatmentprocess.

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