基于阶梯模型的摆动焊接温度场数值模拟

根据摆动焊接速度和方向的变化规律,建立了电弧摆动焊接适用范围更加广泛的阶梯模型,以Q345平板对接接头为研究对象,利用焊接模拟软件SYSWELD对摆动焊接过程的温度场进行数值模拟,获得了焊缝区瞬态温度场以及各节点的焊接热循环曲线.结果表明,电弧摆动阶梯模型的瞬态温度场形状与带状热源模型不同,当热源由中间向两边摆动时,阶梯模型的熔池呈头小尾大的椭圆形;电弧摆动阶梯模型的焊接热循环曲线也与带状热源模型不同,阶梯模型的焊接热循环曲线在加热和冷却过程中都会出现一个小波峰,表明焊缝在加热和冷却过程受到电弧摆动的影响.     

高强钢T型接头MAG焊接温度场研究

采用双椭球热源模型,对S690高强钢T型接头焊接温度场进行数值模拟,并通过搭建MAG焊接温度场测试平台,验证焊接温度场的仿真结果,研究了焊接速度对高强钢焊接温度场、熔池形状和热循环曲线的影响。结果表明:模拟所得的焊缝峰值温度和跟踪点400℃以上的焊接热循环曲线与试验结果较吻合,验证了所选的双椭球热源模型的合理性。随着焊接速度增加,焊缝金属的温度梯度变小,焊缝的熔宽、熔深和余高减小,同时焊缝峰值温度变小。     

Invar钢多层摆动焊接过程的数值模拟

以19. 05 mm厚Invar钢板作为研究对象,通过研究Invar钢的多层摆动焊接,得到多层摆动MIG焊焊缝。利用建模软件建立和实际焊缝一致的有限元模型并进行分析计算,得出焊接过程中温度场的变化过程,对瞬时温度场和焊接热循环曲线进行分析,得出焊接过程中试样整体温度场的变化过程。结果表明,焊接时间越长,焊接速度越慢,熔池尺寸越大;热循环曲线的斜率代表该点温度变化的速率,斜率越大,温度变化速率越快,相对的,热循环曲线随着热源靠近发生剧烈地变化,远离热源变化平缓;直线焊接的热循环曲线为一条平滑的曲线,摆动焊接的热循环曲线为一系列均匀摆动的折线,折线摆动的频率与焊枪摆动的频率一致。     

铝合金T型接头激光+GMAW复合热源焊温度场的有限元分析

从宏观传热学出发,综合考虑焊缝横断面形状特点及接头形式对焊接热流的影响,建立了适用的T型接头激光+GMAW复合热源焊的组合式热源模型.利用双椭球体热源模型描述电弧热流和熔滴热焓,采用热流峰值指数递增-锥体热源模型表征激光热输入,并通过坐标系转换的方法旋转热源模型,以考虑焊枪倾斜对焊接热流分布的影响,推导出适用于T型接头复合焊的热源模型表达公式,从而简化了T型接头焊接数值模拟中的模型加载过程.将所建立的模型用于不同焊接条件下铝合金T型接头激光+GMAW单侧双面焊接焊缝形状和尺寸的模拟计算,计算结果与实验结果吻合较好,从而证明了模型的准确性和适用性;利用该模型计算了铝合金T型接头复合焊近缝区不同位置的热循环曲线,分析了铝合金T型接头复合焊热循环特征,为其组织和性能的预测奠定了基础.     

电渣焊接头温度场数值模拟

为了研究建筑钢结构箱型柱中腹板与隔板处电渣焊接头的温度场,以有限元软件MSC.Marc为平台,开发了用于电渣焊温度场的计算方法. 在所开发的计算方法中,采用了半椭球等密度热源模型来模拟电渣焊的热输入,以生死单元技术考虑焊缝成形,并采用实测得到的低合金高强度钢SM490A材料的高温热物理性能参数模拟了箱型柱中的腹板与隔板电渣焊接头的温度场. 同时采用试验方法实测了电渣焊接头典型位置的热循环曲线,并观察了接头的焊缝宏观截面形状. 结果表明,计算得到的热循环曲线与实测结果十分吻合,计算得到的焊缝形状与试验结果也基本一致,验证了所开发的数值计算方法的有效性.     

Q345D钢水箱支架T型接头双道MAG焊接热过程的有限元分析及实验验证

以Q345D低合金高强钢水箱支架T型接头双面焊接为研究对象,利用SYSWELD有限元分析软件,选择双椭球焊接热源模型,采用数值分析方法模拟了焊接过程的温度场分布和和热循环曲线.数值模拟时,考虑了材料热物理性能与温度的非线性关系,以及相变潜热对温度场的影响.获得了焊缝区域及临近焊缝区域的温度场及热循环曲线的分布,并进行了试验验证,试验结果同模拟结果吻合良好.     

热输入对焊缝金属组织性能影响的预测及试验研究

研究了406超高强度铜的焊接工艺,应用红外测温系统较为准确地测量了不同焊接参数下的焊接接头区域的温度,并进行了力学性能试验及金相分析,通过试验研究初步得到了焊接参数对焊接接头质量的影响规律.应用有限元模拟方法计算了焊接过程中温度场的变化情况,经温度场计算值与实测值的比较发现,有限元模型基本上可精确预测不同参数下温度场的变化情况且模拟出的焊缝形状尺寸与试验值相吻合.计算得到的焊接热循环曲线并参考CCT曲线预测出焊缝区的组织为马氏体,金相组织分析的结果相一致.最后通过有限元方法计算了不同热榆入及不同板厚条件下的热循环曲线,并能对焊缝组织及性能做出预测,这为焊接生产选择合理的焊接参数提供了指导和依据.     

5454铝合金管道环缝焊接应力应变数值模拟

采用SYSWELD焊接模拟软件对5454铝合金管道焊接接头进行数值模拟,建立了管道环焊缝熔化极氩弧焊双椭球热源模型,模拟出体积分布热源作用下的温度场,以获得的温度场为已知条件加载,求得管道环焊缝接头焊接应力应变场的分布规律,对探索铝合金焊接规律提供了有益的帮助。     

基于小孔形状的TCS不锈钢激光+GMAW-P复合焊热场模型

为合理描述激光能量在小孔内的分布特征,采用光线追踪法处理光线在小孔内的多次反射和孔壁的Fresnel吸收,对线热源小孔模型做出了改进.根据小孔形状尺寸的计算结果,确定激光焊体积热源的分布参数.将标定后的激光焊体积热源分布参数应用于激光+熔化极脉冲电弧(激光+GMAW-P)复合焊的组合式体积热源模型,对TCS不锈钢复合焊准稳态温度场进行了数值分析.开展了TCS不锈钢复合焊工艺实验,将复合焊焊缝形状尺寸的模拟结果与实测结果进行了对比,验证了所建立的复合焊热场模型.基于小孔形状的复合焊热场模型能较好地模拟TCS不锈钢复合焊温度分布与焊缝成形.利用该模型计算了不同工艺条件下TCS不锈钢焊接HAZ形状尺寸以及HAZ内不同位置处的热循环曲线,分析了TCS不锈钢复合焊的热循环特征,为接头组织与性能的预测分析奠定了基础.     

321不锈钢角焊缝TIG焊接温度场分布3D有限元分析

采用焊接专用有限元分析软件研究了TIG焊接321不锈钢角焊缝的热过程,分析了不同热输入条件下的温度场分布、熔池形态,探索与接头适配的最优热源参数。采用试验方法验证了最优热源参数的可靠性,分析了相应热源参数下热循环曲线的特点。结果表明:基于仿真结果,取焊接电流为90 A、焊接速率为2.3mm/s进行实际焊接试验,焊缝横截面形貌的试验结果与模拟结果吻合良好,验证了所建立有限元模型的可靠性。     

6061-T4铝合金搅拌摩擦焊焊接热循环特性分析

搅拌摩擦焊(FSW)焊接热循环特性影响接头微观组织及综合性能。采用温度场实测试验与数值模拟相结合的方法获得了6061-T4铝合金FSW焊接热循环的主要参数指标。结合合金二元相图分析FSW接头组织,并通过时间-温度-硬度曲线(TTP曲线)探讨焊接热循环与接头性能的关系。结果表明:焊缝中心区域温度值最高,焊接对接板测点温度随离焊缝中心线距离的增加而降低,试验与计算数值有一定偏差,但两者分布趋势基本一致;通过焊接热循环和二元相图可以分析搅拌焊接头组织;TTP曲线研究表明,焊接热循环能直接反映焊接接头的硬度等性能。     

薄板铝合金激光深熔焊熔池流动数值模拟

针对薄板铝合金激光焊接过程,采用有限体积法开展熔池流动研究.建立了三维焊接熔池流动数学模型,并采用高斯旋转体热源表征激光束的热作用.在考虑与不考虑表面张力作用下,分别计算获得了焊接温度场、熔池流场和熔池形貌.基于计算结果,分析了温度场云纹图、熔池焊接热循环曲线、熔池速度场分布多视图.最后进行相同参数下的激光焊接试验,基于观察获得的焊接接头形貌,综合分析了模拟结果和试验结果.结果表明,所建立的模型和模拟方法是合理可行的.同时考虑Marangoni对流作用所计算得到的熔池和焊缝几何形状更加接近实际焊接接头.     

管道焊接过程的温度场数值模拟

以20#钢钢管的对接接头为研究对象,应用ANSYS软件,对其焊接过程的温度场进行了数值模拟,获得了其焊缝区的瞬态温度场以及各点的焊接热循环曲线.结果表明,起焊位置处各节点经历了两次升温过程,其它位置处节点只经历了一次;距离焊缝中心等距离的节点所经历的热循环过程呈现相同的变化规律;距焊缝中心远近不同的点所经历的热循环各不相同,节点越接近热源,温度升高越剧烈,所能达到的最高温度越高.     

20g钢管多道焊焊接热过程的数值模拟与接头组织分析

以ANSYS有限元软件为基础,采用双椭球热源模型模拟了电站锅炉20g钢管熔化极混合气体保护焊焊接过程中的三维动态温度分布,利用生死单元技术实现了双道焊打底与盖面焊道热过程的依次模拟,根据模拟出的焊接热影响区热循环曲线与焊接CCT图,预测接头的组织变化与显傲硬度分布.最后还对模拟结果进行了实验验证与对比性分析.     

S 355J 2W+N激光-电弧复合焊接头微观组织及疲劳性能研究

采用MAG电弧与激光复合热源对6 mm钝边、30°坡口的对接接头进行焊接,观察激光-电弧复合焊焊接接头的焊缝区、粗晶区、重结晶区、不完全重结晶区的微观组织,并分析其各区域特点。根据复合热源特点将焊接接头上部称为电弧区,下部称为激光区,并结合接头的多次热循环,阐述焊缝下部激光区因柱状晶对生生长导致焊缝中心位置成为整个焊接接头薄弱区域的原因。采用130 MPa、330 MPa、340 MPa、350 MPa、360 MPa、370 MPa六种应力级别进行试验,形成S-N曲线,并通过疲劳试验数据、结合电镜下疲劳断口的微观形貌,分析裂纹扩展过程中各个阶段形貌及裂纹源出现的原因。     

考虑侧壁熔合的摆动电弧窄间隙MAG焊温度场热源模型

为了研究窄间隙焊缝摆动电弧MAG焊焊缝成形影响因素,需对其温度场分布情况进行分析. 针对摆动速度大于焊接速度的前提条件,分析了焊接层数不同导致的焊缝厚度不同以及磁偏吹对侧壁的影响,对多层单道焊建立了两种不同的热源模型. 同时采用Comsol有限元分析软件,实现了热源模型的加载和温度场的模拟. 结果表明,对于第一层焊(焊缝厚度3.6 mm)可以采用高斯—广义双椭球复合热源;对于第三层焊(焊缝厚度7.8 mm)可以采用双椭球—广义双椭球复合热源. 对比同时刻温度场模拟结果的焊缝截面与实际试验结果的焊缝截面,发现两者侧壁熔深情况基本吻合. 为后续对焊缝成形影响的进一步研究奠定了基础.     

三明治板约束电弧窄间隙焊接温度场模拟

建立了适用于焊剂片约束电弧窄间隙焊接温度场有限元模型,以及由高斯面热源与改进的三维锥体热源的复合热源模型,对厚度为5 mm的BS960高强度钢三明治板应用ABAQUS进行了约束电弧焊接数值模拟,并获得了BS960高强度钢焊接温度场的分布特征及焊接过程热循环曲线。结果表明:模拟获得的焊缝形貌特征与实际基本吻合,模拟所得的温度场结果与试验所得结果相近,验证了所建立的热源模型在计算焊剂片约束电弧窄间隙焊接温度场的可行性,为后续应力应变的研究和密集焊缝下整板变形控制研究打下了基础。     

API X65管道深水铺设GMAW横向焊接温度场

为了应对管道深水铺设GMAW横向焊接熔池下坠、窄坡口、无衬垫等挑战,建立了管道三维模型并进行了网格划分,利用材料软件生成了API X65温度场材料数据库,通过模拟温度场云图与实际焊缝截面的匹配校核了Goldak双椭球热源模型,管道焊接温度场分布SYSWELD软件模拟结果与实际焊接过程相符合. 建立了焊接温度场测试系统,通过背孔法埋设的热电偶测量了API X65管线钢平板焊接的热循环曲线. 测试曲线与SYSWELD仿真曲线具有相同的温度升降趋势,上板节点温度也均明显低于下板节点温度. 采用焊缝截面平均热循环曲线作为热源进行了多道焊模拟,并进行了试验. 结果表明,多道焊焊接变形是由焊接工艺参数与残余应力释放共同确定的.     

铝/钢电弧辅助激光熔钎焊焊接过程热特性分析

采用有限元建模分析方法,建立了铝/钢电弧辅助激光熔钎焊焊接过程的三维非线性温度场计算模型,研究了热源间距、焊接电流和激光热输入等参数对接头表面温度分布和界面热循环的影响。结果表明,工件表面高温区呈现为前大后小的“葫芦”状分布,界面热循环曲线呈现出双峰特征,激光热输入决定了竖直界面的最高峰值温度,焊接电流和热源间距主要影响热循环曲线冷却阶段。界面热循环峰值温度的提高,会导致金属间化合物层厚度的增加,影响接头组织演变。 创新点： (1)添加小功率电弧可以改善单一激光热源分布过于集中的问题,提高高温区域的停留时间,从而促进接头的浸润铺展成形。 (2)辅助电弧的添加改变了单一激光热源的高温区形状,出现了电弧辅助激光焊独有的“葫芦”状高温区。     

基于点热源的GMAW热输入分布模式及应用

分析比较了三种基于点热源的熔化极气体保护焊(GMAW)热输入分布模式,并结合移动点热源作用下焊接温度场的瞬态解分别对其进行了计算,通过焊缝横截面熔合线几何形状计算值与实测值的比较,对三种热输入分布模式进行了评估.利用所建串热源模型模拟了Q195低碳钢和JG590低合金钢GMAW焊缝横截面熔合线的几何形状,进行了Q195钢和JG590钢的GMAW工艺试验,通过焊缝横截面熔合线的几何形状对所建模型进行了试验验证.采用计算和试验相结合的方法,分析评价了目前常用的t3/5计算公式,利用JG590钢焊接温度场的计算结果,结合JG590钢的焊接连续冷却组织转变图,成功地预测了焊接接头熔合区的组织及硬度.