高温合金电子束焊接温度场数值模拟

根据熔池边界准则应用有限元方法对高温合金电子束焊接温度场进行了数值模拟.通过线性插值、等效代换等方式估计材料高温参数,模拟材料状态变化.针对电子束焊接特有的钉头状焊缝及其穿透深度大的特点,采用高斯面热源与柱体热源组成的组合热源模型,对焊接温度场进行分析,模拟结果与实际焊缝取得了良好的一致.获得了一定工艺条件下高温合金电子束焊接温度场的分布特征及焊接过程热循环曲线,为优化电子束焊接工艺和电子束焊接残余应力研究提供了参考.     

Ti2AlNb合金电子束熔透焊的数值模拟

采用热-弹-塑性有限元计算模拟了Ti2AlNb合金电子束焊的温度场和应力场。为了准确反映熔透型电子束焊接的特点,对旋转高斯曲面体热源模型进行了改进。研究结果表明:采用改进的热源模型能准确地模拟穿透型电子束焊焊缝横截面轮廓;残余应力的模拟结果与实验结果吻合较好,证明了有限元模型的正确性;Ti2AlNb合金电子束焊后残余应力以纵向拉应力为主,且集中分布在距焊缝中心线3 mm的区域内;横向残余应力在表面附近区域呈压应力,内部呈拉应力,表面横向压应力是由焊缝纵向和厚度方向的收缩导致的;焊缝内部出现三向拉应力的状态。     

钛合金平板电子束焊接温度场有限元分析

焊接温度场不仅直接通过热应变，而且还间接通过随金属状态和显微组织变化引起的相变、应变决定焊接残余应力，因而对焊接温度场的研究是焊接应力应变分析的前提。在通用的有限元软件ANSYS平台上，根据电子束深熔焊的特点，提出了圆锥形体热源模型，并对电子束焊接温度场进行了数值模拟。有限元数值模拟结果同电子束试验焊缝形状有良好的一致性，圆锥形体热源模型体现了电子束深熔焊所特有的钉形焊缝，能较准确地模拟电子束焊接温度场。     

厚板焊接温度场和残余应力场的数值模拟

运用有限元计算软件ABAQUS,对10 mm厚钢板电子束焊接温度场和残余应力场进行了数值模拟.有限元模型中选用三维实体单元,采用非耦合方法,并考虑了材料物理性能随温度的变化和周边对流、辐射散热的影响.针对电子束焊接热源的特点采用移动体积生热的高斯锥形分布的模式来模拟匙孔效应.温度场计算结果表明,焊件热影响区狭窄.计算结果分别给出了焊缝部位上、中、下表面的纵向、横向和板厚方向残余应力分布.结果表明,焊缝区大部分区域三个位置的应力无显著差异,但是在起焊点和收焊点三处应力存在显著差异;焊缝区残余纵向拉应力分布在焊缝两侧各20mm区域,最大值达到材料屈服应力.残余应力的分布与厚板焊接理论相一致.     

数值模拟和实验研究Ti6Al4V合金激光熔透焊接残余应力

采用热-弹塑性三维有限元法研究激光熔透焊接Ti6Al4V合金的残余应力,并采用小孔法测量焊接残余应力以和计算结果进行比较.有限元计算时,建立了以焊缝形貌尺寸为参数的统一锥形热源模型来模拟不同热输入时的焊接温度场,并讨论了边界条件和有限元网格大小的确定.研究结果表明:采用焊缝轮廓尺寸作为热源参数能准确模拟焊缝横截面轮廓;钛合金激光熔透焊接的纵向残余应力分布梯度陡;在焊件表面和内部残余应力分布趋势不同,采用小孔法测量的残余应力分布和计算的焊接件内部残余应力分布相似.     

非封闭环焊热力学过程的数值模拟

运用有限元计算软件ABAQUS,对薄壳结构非封闭环焊焊接热力学过程进行了数值模拟。有限元模型中选用三维实体单元,模拟中考虑了材料物理性能随温度的变化和周边对流、辐射散热的影响。针对电子束焊接热源的特点采用移动体积生热的模式来模拟匙孔效应。获得了非封闭环焊缝焊接温度场和残余应力场,并对模拟结果进行了分析。分析表明,焊缝区存在较大的环向残余拉应力,往往会诱使焊缝开裂失效。     

核电SA508-3钢厚壁圆筒纵向焊接残余应力分析

针对由某公司生产首次应用到核电设备上的SA508-3钢,为了获得焊接残余应力分布及规律,采用ANSYS有限元软件对60 mm厚圆筒纵焊的焊接接头进行温度场及残余应力数值模拟,并将模拟结果与相同工艺条件下焊接试验结果进行比较验证.结果表明,模拟结果与试验结果基本吻合;焊接时热源周围极窄区域温度高,梯度大,远离热源温度峰值急剧下降;圆筒外表面残余应力大于内表面残余应力;焊缝及近焊缝区的残余拉应力值较大,远离焊缝中心残余拉应力值逐渐减小;圆筒两端和中部的残余应力在方向上或数值大小上不同;这对控制圆筒残余应力提供了理论依据.     

12 mm厚钛合金平板电子束焊接的数值模拟

采用ANSYS有限元分析软件,建立12 mm厚TC4钛合金平板电子束焊接温度场和应力场的三维有限元数值计算模型。模型采用圆锥体热源考虑电子束焊接时的小孔效应;材料的热学、力学性能参数随温度变化;相变和熔池内液体的对流散热通过比热和热导率的变化实现。计算结果表明：钛合金电子束焊接时,熔池呈典型的卵形分布。高值纵向残余拉应力集中分布在焊缝中心线两侧距焊缝中心线4 mm的区域内,平板内部出现接近材料屈服极限的局部三维残余拉应力状态。实验得到的焊缝宏观形貌和小孔释放法检测到的焊接残余应力对计算结果进行验证,实验结果和计算结果吻合较好,证明了有限元模型的正确性。     

激光电弧复合焊接顺序对304不锈钢T形接头影响的模拟试验分析

建立304不锈钢T形接头三维有限元模型,研究激光电弧复合焊接顺序对304不锈钢T形接头热变形及残余应力的影响. 采用高斯面热源加高斯锥形体热源组合的热源模型,模拟激光电弧复合热源,并通过304不锈钢激光电弧复合堆焊工艺试验验证数值模拟激光电弧复合焊接过程的可靠性. 结果表明,焊缝截面熔池形貌的数值仿真结果与焊接工艺试验结果吻合较好,该热源模型能有效模拟激光电弧两种热源的复合作用. 确定多种焊接顺序方案,分析不同焊接顺序下T形接头温度场、残余应力和热变形情况,激光电弧复合焊接顺序对T形接头残余应力及热变形均有影响,通过对比不同顺序下残余应力值及热变形量发现,顺序焊接能有效减小焊接残余应力,同时反向焊接产生的热变形量最小. 综合分析,不锈钢T形接头顺序反向焊接的效果最佳.     

多束流电子束薄板焊接应力变形数值模拟

为了减小薄板结构的焊接变形,基于电子束高频偏转扫描技术在焊缝两侧添加辅助扫描热源实现了多束流电子束焊接及焊前预热. 建立了矩形均匀加热辅助热源模型,采用热弹塑性有限元分析方法对1.5 mm厚304不锈钢薄板进行多束流电子束焊接数值模拟,并进行了试验验证. 结果表明,焊后残余应力和变形的实测结果与模拟结果吻合良好,多束流电子束焊接方法不仅可以改变熔池前方材料的受力状态,而且可以减小熔池形成瞬间熔池前方材料的压应力峰值,有利于减小熔池的前方压缩塑性应变,进而减小薄板结构的焊接变形.     

能量排布方式对双光束激光填丝焊温度场与应力场的影响

建立了面热源＋双圆柱体热源的双光束激光焊接热源模型,并结合Marc有限元软件,对光束间距为0．6mm的双光束激光填丝焊接铝合金的温度场和应力场进行了数值模拟,分析了不同能量排布方式对焊缝熔池温度分布特征及其残余应力的影响．随着光束与焊缝中心线所成角度的减小,热源熔化效率逐渐减小;焊后焊缝区残余应力主要为纵向拉应力,能量排布方式对残余应力最大值的影响不明显,其主要影响残余应力分布区域范围和焊接工件角变形．     

添加铜填充层的Ti-15-3钛合金与304不锈钢电子束焊接过程中的温度与应力场(英文)

采用铜填充金属对Ti-15-3钛合金与304不锈钢进行电子束焊接,对Ti/Fe和Ti/Cu/Fe接头在焊接过程中的温度场和应力场进行数值模拟和试验测量。结果表明,高斯旋转体热源适用于电子束焊接过程的模拟。温度场对于焊缝中心呈非对称分布,钛侧的温度高于不锈钢侧的。热应力同样呈非对称分布,残余拉应力主要存在于不锈钢侧。铜填充金属的加入,降低了焊接过程中的峰值温度、温度梯度以及残余应力,纵向和横向残余拉应力分别降低了66MPa和31MPa。从温度场和应力场的角度可以看出,铜合金是一种较好的Ti-15-3钛合金与304不锈钢电子束焊接的填充金属材料。     

BT20钛合金电子束热处理残余应力计算

利用三维有限元分析软件，模拟了BT20钛合金薄板焊态和焊后电子束局部热处理的实际焊接温度场以及残余应力的分布。结合数值计算，讨论了不同的热处理方式以及热处理工艺参数对焊接接头残余应力分布的影响。结果表明，在钛合金薄板焊缝的背面进行电子束局部热处理，可以显著降低焊缝中心处的残余拉应力。数值计算结果还表明，在其它工艺参数相同的情况下，随着局部热处理加热宽度和加热时间的增加，焊缝及近缝区的纵向残余应力随之降低，同时产生残余应力的范围也随之增大。     

Finite element analysis of welding residual stress of aero engine blisk by controlling heat input

In order to improve aero engine performance, it is necessary to reduce the welding residual stress of aero engine blisk. In this paper, finite element method was employed to simulate electron beam welding process of blisk, in accordance with the deducing formula (p = kh) , the heat input is changed with the weld depth to control welding residual stress of blisk. The calculation results show that welding residual stress of blisk can be controlled effectively by reducing the heat input on the conditions of meeting the demand of weld penetration and guaranteeing the welding quality, a new theoretical method and some numerical data are provided for controlling welding residual stress of blisk.     

K-TIG焊接接头的应力与变形

采用SYSWELD软件对Q345低合金钢板的匙孔型钨极气保焊（keyhole gas tungsten arc welding,K-TIG）焊接过程进行了模拟,选用了3种形式的组合热源对K-TIG焊接过程的温度场进行数值模拟,并与实际焊缝轮廓进行对比,发现采用上半部分双椭球热源和下半部分3D高斯热源的组合热源所得温度场与实际情况较为相似.并通过K-TIG焊接数值模拟,分别研究板厚、间隙和焊接速度对K-TIG焊接接头变形和应力的影响.结果表明,减小焊接板厚有利于减小焊后z向变形和横向残余应力,留出适当的间隙有利于减小焊后残余应力,增大焊接速度有利于减小焊后变形,但不利于控制焊后残余应力.     

Using Finite Element and Contour Method to Evaluate Residual Stress in Thick Ti-6Al-4V Alloy Welded by Electron Beam Welding

This work was to reveal the residual stress profile in electron beam welded Ti-6Al-4V alloy plates(50 mm thick) by using finite element and contour measurement methods.A three-dimensional finite element model of 50-mmthick titanium component was proposed,in which a column–cone combined heat source model was used to simulate the temperature field and a thermo-elastic–plastic model to analyze residual stress in a weld joint based on ABAQUS software.Considering the uncertainty of welding simulation,the computation was calibrated by experimental data of contour measurement method.Both test and simulated results show that residual stresses on the surface and inside the weld zone are significantly different and present a narrow and large gradient feature in the weld joint.The peak tensile stress exceeds the yield strength of base materials inside weld,which are distinctly different from residual stress of the thin Ti-6Al-4V alloy plates presented in references before.