TA15钛合金结构件焊接变形分析与优化.pdf

摘要

激光焊接是一种主要的连接工艺，应用于各种制造业。激光焊接作为一种高效、

经济和可靠的金属连接方法，在汽车、航空航天和造船等行业都非常依赖激光焊

接。然而，焊接会在最终的成型结构件中产生明显的变形，这将导致尺寸控制的

失效，返工成本高和生产效率低下。在当今的工业生产中，为了实现结构减重，

使用高强度材料的薄板和桁架结构是一种普遍的方法。但是，由相对薄的部件制

成的结构在进行焊接时最容易变形。尽管多年来焊接技术取得了长足的发展，但

焊接引起的变形仍然是轻量化结构经济高效地制造的主要障碍之一。

焊接结构的变形在很大程度上受焊接工艺设计参数的影响，通过调整焊接参数

可以更好地控制焊接变形。但是，由于焊接是一个依赖于多变量的过程，因此通

过传统的试验方法很难或不可能获得这些因素的最佳组合。在计算机技术的支持

下，使用有限元方法仍然是模拟焊接过程最有效的工具。

本文的研究对象为TA15钛合金材料的蒙皮骨架结构件，针对如何减小焊接残

余应力和变形进行研究，使用焊接专用软件simufact.welding对结构进行焊接变形

数值分析，具体研究工作如下：

（1）对TA15钛合金蒙皮骨架结构样件的最优焊接工艺进行研究，通过不同

焊接工艺试验的焊缝金相照片，对比焊缝形貌和缺陷，得到可以达到预期的焊接

工艺，并对样件拉伸性能进行测试。

（2）针对激光深熔焊匙孔成型特点，通过反复对比仿真和试验结果，选择合

适的热源模型，调整热源形状参数，得到与试验焊缝金相拟合较好的仿真熔池形

貌；通过温度场仿真和热循环曲线校核，得到适合仿真的激光参数。

（3）对蒙皮骨架结构件进行焊接应力应变场数值模拟，分析整体结构件焊接

变形和残余应力；并分别探讨焊接顺序和工装约束对焊接变形和残余应力的影响；

进一步为控制焊后变形，设计一款柔性化工装夹具，并通过焊接仿真检验该工装

夹具对焊接变形的影响。

关键词：激光焊接，钛合金，数值模拟，焊接变形，工装夹具

ABSTRACT

Laserweldingisamajorjoiningprocessusedineverymanufacturingindustry.

Industrieslikeautomotive,aerospaceandshipbuildingrelyheavilyonlaserwelding

becauseofitsefficiency,economyanddependabilityasametaljoiningmethod

However,weldingcanintroducesignificantdistortioninthefinalwelded

geometry.whichcauseslossofdimensionalcontrol,costlyreworkandproductiondelays.

Inautomotiveindustry,itisacommonpracticetodaytousethin-sectioned.

high-strengthsheetmetalstoachieveweightreductionofbodystructure.Butthe

structuresmadeofrelativelythincomponentsarethemostvulnerabletodistortion

whensubjectedtowelding.Despitetremendousdevelopmentinweldingtechnology

overtheyears,weldinduceddistortionisstilloneofthemajoro