钛合金具有密度小、比强度高、耐热、耐蚀性好、可加工性及抗疲劳性优良等优点。焊接是钛合金在工业应用过程中的重要技术[1]。钛合金属于活泼金属，在焊接过程中易产生缺陷，热源加载不均匀且快速，在焊接件中易产生残余应力与畸变，影响其结构稳定、承载能力和抗疲劳性能[2]。焊接过程涉及变量较多，以生产经验指导焊接成本较高且不符合实际，因此有必要通过计算机数值模拟获得焊接过程的定量认识[3]。
杨露等[4]对TC4⁃ＥＬＩ合金夹角为171.98°的对接多层焊进行模拟，并对其残余应力分布进行试验验证。曾泽群等[5]运用弹性有限元方法计算了TC4钛合金Ｖ型坡口对接焊残余应力的释放，但试验结果与模拟值仍存在一定误差。李良碧等[6]对TC4及Ti80钛合金焊后热处理过程进行模拟，发现Ｎｏｒｔｏｎ蠕变模型对焊后热处理过程进行数值模拟比较合理。刘文明等[7]探究了不锈钢多层多道焊后热处理对残余应力的影响，发现模拟值与测量值仍存在一定误差。吕刘帅等[8]对镍基合金管道Ｖ型坡口焊接及热处理过程进行了模拟，发现适当升高温度进行焊后热处理，可以在短时间内有效降低残余应力。杜永勤等[9]研究了不同热处理对TC4合金钨极氩弧焊接头的影响，发现650℃×1h条件下焊接件力学性能最好。目前已有研究中针对TC4钛合金中厚板多层钨极氩弧焊及焊后热处理的模拟少有涉及，本文针对某厂生产的车辆用悬架结构件TC4钛合金焊接件，使用Ａｎｓｙｓ建立其焊接部位的等效数值模型，探究焊接及焊后热处理过程中的温度及应力变化规律，并分析接头组织的变化。
1、试验材料与方法
1.1 试验材料
试验材料为两块300mm×150mm×20mm的退火态TC4钛合金板，主要化学成分如表1所示，显微组织如图1所示，为等轴组织形貌，其中β相破碎严重，均匀分布于α相基底上，焊缝处填充材料为同质TC4合金实心焊丝。
1.2 试验方法
焊接模拟基于国内某厂手工钨极氩弧（Ｔｕｎｇｓｔｅｎｉｎｅｒｔ⁃ｇａｓ，TiＧ）焊参数：接头类型为对接接头，开60°Ｘ型坡口，焊接道数为7道。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。热源模型选择高斯分布的面热源[10]，使用生死单元技术模拟双面交替多道焊时焊丝填充。为了明确掌握焊接件在焊接及焊后热处理过程中的温度场、应力场等变化规律，假设钛合金板处于理想状态，仅考虑热的作用，而不受其他任何外加载荷，也不考虑初始应力和变形状态。综合考虑模拟精度及计算效率，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化，建立特征线ｐａｔｈ1，同时，采用Ｘ射线衍射法沿ｐａｔｈ1对焊接件残余应力进行检测，如图2（ａ）所示，焊接坡口及焊接顺序如图2（ｂ）所示。焊后热处理（Ｐｏｓｔ⁃ｗｅｌｄｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ＰＷＨＴ）工艺为650℃保温4ｈ，升温和冷却速度控制在200℃／ｈ以下。
2、结果与讨论
2.1 温度场模拟结果及分析
由于焊接过程中使用到局部高度集中的移动瞬时热源，产生不均匀和不稳定的温度场是引起焊接畸变的根本原因。因此温度场的准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，逐渐下降，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疏，温度梯度较小，又由于TC4钛合金的导热性能差，所以温度场云图范围小。虽然各层温度变化规律相同，但由于热源瞬时给焊接构件的热能不同，各层焊缝所能达到的温度也不同，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。打底焊在后续正反面交替焊接时会经历多次焊接热循环的“热处理”作用，填充层和盖面层焊缝同样也经历了不同特征的热循环，第1、4、7层焊缝中心点温度变化如图4（ｂ）所示。
TC4钛合金的性能由组织决定，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生长。由于焊缝冷却速度较快，抑制了晶粒的扩散分解，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，发生马氏体转变，不同道次焊缝的组织组成一致，由于TC4合金中存在一定量的元素Ｖ，使少量高温β相在冷却过程中保留在马氏体板条之间，与马氏体呈联生形态，部分αｔ（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄα）相在含有较多α稳定元素的β晶界形核，当温度进一步降低时，αｔ相才开始在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细小的颗粒状αｇ（Ｇｒａｎｕｌａｒα）相，如图5（ｂ）所示。由于不同道次热输入量不同，且在多层焊时，后一道热循环会对前一道焊缝产生热处理效果，能够均匀细化组织，因此热输入最小的打底焊的马氏体平均尺寸最小，为19.5μｍ，盖面层虽然焊接热输入不高，但由于未受到热处理作用，马氏体平均尺寸最粗大，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，热影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，各部位由于冷速不同获得不同的组织。焊接件各部分组织性能不均匀，因此，有必要对其进行合理的焊后热处理，以满足实际的使用要求，采用箱式电阻炉对TC4钛合金焊接件进行650℃×4ｈ，空冷的退火处理。
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开始分解为次生α＋β相，随着热处理温度升高，在700℃时αｍ完全转变为次生α＋β相[11]。本文ＰＷＨＴ后次生（α＋β）相和αｍ相共存，原始β晶界逐渐变模糊，次生β相呈白色颗粒状或短棒状弥散分布，如图6（ａ，ｂ）所示。并结合ＸＲＤ数据进行分析：采用高斯⁃洛伦兹曲线拟合，利用3个强度最大的峰获得半高宽（ＦＷＨＭ），以考察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，表明试样中该晶面的取向特别强烈，其ＰＷＨＴ前后半高宽分别为0.39与0.29。第二强峰为2θ＝38.52°，对应（0002）晶面，其ＰＷＨＴ前后半高宽分别为0.48与0.27。第三强峰为2θ＝35.36°，对应（1010）晶面，其ＰＷＨＴ前后半高宽分别为0.36与0.34。经ＰＷＨＴ后（0002）α衍射峰发生“峰分裂”，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相分解为次生（α＋β）相。这些晶面的ＦＷＨＭ降低5.56％～43.75％，表明TC4钛合金的结晶度随着内部缺陷的消除和残余应力的消除而得到改善。
2.2 应力场模拟结果及分析
基于热弹塑性理论，在温度场的基础上顺序耦合应力场，对ＰＷＨＴ前后残余应力分布进行分析，TC4合金TiＧ焊后未经热处理时焊缝的残余应力分布云图如图7所示。
为定量了解焊态与ＰＷＨＴ态TC4钛合金焊缝的残余应力分布情况，收集特征线ｐａｔｈ1不同方向上的残余应力分布数据，如图8所示。“-”表示压应力，“＋”表示拉应力。焊接过程中受热作用较小的母材区对焊接板膨胀的限制，焊缝区附近存在残余应力。焊缝区熔化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制，产生残余拉应力，并随冷却的进行不断增大，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小，如图8（ａ）所示。焊接过程中热源离开以后，焊缝区附近的热影响区受热传导的作用持续升温，金属的膨胀受到限制，产生残余压应力，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用力，压应力持续增加，直至整个焊接板的应力平衡[10]。经ＰＷＨＴ后，横向最大残余拉应力试验值由232.1MPa降为127.8MPa，最大残余压应力由5.7MPa降为0.9MPa。
纵向最大残余拉应力试验值由479.5MPa降为332.5MPa，最大残余压应力由54.3MPa降为12.5MPa。垂直焊接方向的残余应力呈对称分布，与温度场分布规律基本相同，近焊缝处残余应力较大，为易断裂位置。此焊接件残余应力变化规律与沙宇程[12]通过Ａｎｓｙｓ、ＸＲＤ等手段对钛合金在焊后热处理工艺下的残余应力分析具有一致性。
3、结论
模拟焊接及焊后热处理过程，分析TC4钛合金焊接接头组织及残余应力变化，主要结论如下：
1）使用Ａｎｓｙｓ软件模拟TC4钛合金钨极氩弧焊及焊后650℃退火处理过程。焊接过程中各层焊缝由于热输入不同，其温度也不同，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“热处理”作用，与盖面层经历了不同特征的热循环，焊缝区各层马氏体尺寸 由19.5μｍ向96.2μｍ变化。
2）焊后焊缝区主要由αｍ相＋少量β相＋部分αｔ相＋析出αｇ相组成，母材区为初始的退火态等轴组织，热影响区为焊缝区与母材区之间的混合过渡组织。
经ＰＷＨＴ后，焊缝区部分αｍ相转变为次生（α＋β）相；并由ＸＲＤ图谱观察到（0002）α衍射峰发生“峰分裂”，在2θ＝39.6°处观察到新峰（110）β，同时ＦＷＨＭ降低5.56％～43.75％，表明TC4钛合金的结晶度随着残余应力的消除而得到改善。
3）TC4钛合金焊后残余应力主要集中在焊缝附近，此为易断裂位置。垂直焊接方向的残余应力呈对称分布，与温度场分布规律基本相同，经ＰＷＨＴ后各项残余应力均降低。
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