激光+GMAW复合热源焊焊缝成形的数值模拟III.电弧脉冲作用的处理与热源模型的改进

针对激光+脉冲GMAW复合焊时电弧脉冲的热作用特点,将电弧热流处理为脉冲电流和基值电流阶段分布参数不同的双椭圆模式,同时适当减小焊件表面的热导率,以间接考虑脉冲电流和基值电流的间歇式作用.根据平均焊接电流大小确定熔滴热焓椭球体分布的作用区域,并考虑激光热源的作用位置.从以上几方面对前期研究采用的热源模型进行了改进,建立了两类新的适用于复合焊的组合式体积热源模型.利用改进后的热源模型对不同工艺条件下复合焊的焊缝横断面形状尺寸进行了模拟计算.计算得到的熔深、熔宽以及熔合线走向都与实验结果吻合,使数值模拟精度有了较大提高.     

激光+GMAW复合热源焊焊缝成形的数值模拟Ⅰ.表征激光作用的体积热源分布模式

为了建立激光 GMAW电弧复合焊接的体积热源作用模式,根据激光深熔焊接的焊缝形状特征,分析了激光焊接的热源作用特点,提出了4类新的体积热源分布函数.建立了激光焊接温度场的数值分析模型,计算出了4类体积热源模式下的激光焊缝形状尺寸,与实测结果进行了对比.发现提出的4类体积热源模式能够较好地对激光焊接过程中激光热源对焊缝成形的作用进行表征,是恰当的和适用的.     

激光＋GMAW复合热源焊焊缝成形的数值模拟——Ⅲ．电弧脉冲作用的处理与热源模型的改进

针对激光＋脉冲GMAW复合焊时电弧脉冲的热作用特点，将电弧热流处理为脉冲电流和基值电流阶段分布参数不同的双椭圆模式，同时适当减小焊件表面的热导率，以间接考虑脉冲电流和基值电流的间歇式作用．根据平均焊接电流大小确定熔滴热焓椭球体分布的作用区域，并考虑激光热源的作用位置．从以上几方面对前期研究采用的热源模型进行了改进，建立了两类新的适用于复合焊的组合式体积热源模型．利用改进后的热源模型对不同工艺条件下复合焊的焊缝横断面形状尺寸进行了模拟计算．计算得到的熔深、熔宽以及熔合线走向都与实验结果吻合，使数值模拟精度有了较大提高．     

激光＋GMAW复合热源焊焊缝成形的数值模拟——I．表征激光作用的体积热源分布模式

为了建立激光＋GMAW电弧复合焊接的体积热源作用模式，根据激光深熔焊接的焊缝形状特征，分析了激光焊接的热源作用特点，提出了4类新的体积热源分布函数．建立了激光焊接温度场的数值分析模型，计算出了4类体积热源模式下的激光焊缝形状尺寸，与实测结果进行了对比．发现提出的4类体积热源模式能够较好地对激光焊接过程中激光热源对焊缝成形的作用进行表征，是恰当的和适用的．     

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.     

激光+GMAW复合热源焊接过程热-力耦合数值分析

从宏观的焊接热过程出发,根据激光+GMAW复合热源焊接的特点,提出了适用于复合热源焊接的“双椭球体＋峰值递增圆柱体”组合式体积热源分布模式;建立了激光+GMAW复合热源焊接过程的有限元模型,数值计算了焊接温度场和焊缝横截面的形状尺寸,计算结果与试验结果吻合良好,证明了组合式体积热源模型的合理性和适用性. 采用焊接温度场的计算结果,进一步对复合热源焊接和GMAW的焊接变形和残余应力进行了数值模拟和对比分析. 结果表明,在焊缝熔深基本相同的情况下,复合热源焊接的焊接热输入、焊缝熔宽、焊接变形和高应力区域范围等均比GMAW小. 研究结果印证了激光+GMAW复合热源焊接工艺的优越性,并为焊接工艺参数的优化提供了基础理论数据.     

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.     

窄间隙坡口激光-MAG复合焊温度场数值模拟

采用激光电弧复合焊焊接窄间隙坡口钢板,坡口会影响激光光致等离子体及电弧形态,从而改变能量密度分布。采用数值模拟手段,综合考虑激光与电弧的相互作用以及窄间隙坡口对等离子体及电弧的压缩作用,建立激光-MAG复合堆焊热源模型和适用于窄间隙坡口的激光-MAG复合焊接热源模型,并分别进行堆焊和窄间隙坡口对接焊的温度场数值模拟。结果表明,两种热源模型的模拟所得焊缝形状与实际焊接焊缝熔合线相符性良好,熔宽、熔深相近,窄间隙坡口对温度场分布有重要影响。     

激光焊接圆锥体热源模型及参数研究

激光焊过程中包含了一系列复杂的物理、化学反应现象.为合理描述激光焊温度场,采用圆锥体热源模型,用有限元分析软件ANSYS对激光焊温度场进行计算模拟,得到相应的温度场分布及焊缝熔深、熔宽.计算结果表明,所用圆锥体热源模型能较好符合试验结果,有效反映实际激光焊过程.同时根据试验测得的焊缝形状,结合数值模拟,用反演方法给出了模型参数的计算公式.该公式可以实现一定焊接工艺条件下确定激光焊接圆锥体热源模型的参数,并方便进行激光焊温度场模拟和焊缝宽度的预测.     

电弧功率对Laser+GMAW-P复合热源焊热场特征的影响

焊接HAZ的热场特征,如HAZ的宽度和焊接热循环的参数等,对焊接接头的组织和性能有重要影响,是决定焊接接头质量的关键因素.本文应用已建立的复合热源焊的组合式体积热源模型,对Laser+GMAW-P复合热源焊的热场进行数值分析,定量研究了不同电弧功率对Laser+GMAW-P复合热源焊热影响区(HAZ)宽度和热循环参数等热场特征基础数据的影响规律,并与单激光焊和单GMAW-焊的情况进行了比较,以期从冶金上揭示复合热源焊的特点.     

基于SYSWELD的穿孔等离子弧焊接温度场有限元分析

K－PAW焊接时形成具有“倒喇叭”状的焊缝．根据K－PAW的焊缝形状特点,通过比较多种热源作用模式,得到了适合于K—PAW焊接的组合式体积热源作用模式,即,沿板厚方向,工件的上部采用双椭球体热源,下部为中心轴热流峰值线性递增的圆柱体热源．将“双椭球体＋峰值递增圆柱体”组合式热源应用于SYSWELD软件与K—PAW焊接热...     

Numerical analysis of weld pool geometry in pulsed current plasma arc welding

Numerical analysis of weld pool shape and size is of great significance for selection and optimization of the process parameters in pulsed current plasma arc welding (PAW). In this paper, a mathematical model and relevant algorithm are developed to determine the temperature profiles and weld pool geometry in pulsed current PAW through employing an adaptive heat source model. The volumetric heat source consists of semi-ellipsoid at upper part and a conic body at lower part along the workpiece thickness direction. The dynamic variation features of weld pool shape during a pulse cycle are numerically simulated. The calculated weld cross-section is consistent with the measure one.     

Three thermal analysis models for laser, GMAW-P and Iaser＋GMAW-P hybrid welding

The temperature fields and the weld pool geometries for laser + GMA W-P hybrid welding, laser welding and pulsed gas metal arc welding (GMAW-P) are numerically simulated in quasi-steady state by using the developed heat source models, respectively. The calculated weld cross-sections of the three types of welding processes agree well with their respective measured results. Through comparison, it is found that the temperature distribution of laser+ GMAW-P hybrid welding possesses the advantages of those in both laser and GMA W-P welding processes so that the improvement of welding productivity and weld quality are ensured.     

Finite element analysis of keyhole plasma arc welding based on an adaptive heat source mode

An adaptive heat source mode is proposed to account for the keyhole effect and the characteristics of volumetric distribution along the direction of the workpiece thickness. Finite element analysis of the temperature field in keyhole plasma arc welding is conducted and the weld geometry is obtained. The predicted results are in agreement with the measured ones.     

TC4钛合金激光深熔焊小孔形貌特征的有限元精细分析

针对TC4钛合金激光深熔焊接的特点,建立了适合小孔尺寸精度的微米级精细计算模型.结合TC4钛合金材料属性,利用能量分布与小孔形貌特点相类似的高斯旋转曲面体热源进行加载,得到了随激光焊接工艺参数改变而变化的小孔形貌及瞬态温度分布特征.通过分析瞬态过程小孔前后沿、小孔径向以及小孔深度方向的特征尺寸及温度分布,得出了对TC4钛合金激光焊接小孔形貌影响最大的工艺参数.通过分析各工艺参数的影响规律,提出了TC4钛合金激光焊接得到最佳小孔形貌或温度分布的工艺参数取值范围.     

Adaptively Controlled Hybrid Welding Using a High Brightness Laser

Hybrid laser-MAG welding with real-time adaptive control has been demonstrated.Hybrid welding conditions have been developed to produce ISO 13919-1 class B (stringent) quality butt welds between 8mm thickness steel plates,using a 5kW 6mm.mrad Yb fibre laser combined with conventional arc welding equipment.A laser vision seam tracking system has enabled a 7-axis robot,manipulating the hybrid welding head,to track butt joints in real time during welding.The laser vision system has also provided information on the variations in joint fit-up,in particular the width of any gaps,or height of any mismatches present.This information has then been used to automatically adjust the robot position or speed,or arc welding parameters,depending on the fit-up detected.In this way,the tolerance of the hybrid process has been augmented,producing stringent quality welds over a wider range of joint fit-up cases than when using fixed conditions alone.