TC4钛合金激光焊缝形貌与残余应力数值研究

针对激光深熔焊特点,采用均匀体热源模型、双椭球热源模型和组合热源模型,对TC4钛合金CO2激光深熔焊的焊缝形貌和残余应力进行了数值与实验研究。结果表明:在进行激光焊缝形貌与残余应力计算中,须根据激光焊接线能量选择激光热源模型,由此提出了均匀热源模型适合较大线能量,双椭球热源模型适合中等线能量,而组合热源模型适合较小线能量选择原则。组合热源模型和双椭球热源模型均能体现热输入随深度的递减变化,熔池轮廓呈现"圆锥"形和"钉子"形,均匀体热源的上下表面的残余应力分布基本一致,而双椭球热源和组合热源模型的下表面残余应力明显低于上表面。     

K418和42CrMo激光深熔焊焊缝形貌预测及验证

激光深熔焊热源模型反映焊接熔池热流分布情况,模型的准确性决定模拟结果的有效性。针对K418与42CrMo特有的焊缝形貌,在综合考虑了材料的热物性参数随温度的变化、熔池相变潜热和焊缝正面等离子体附加热源效应,建立了锥形热源与峰值热流逐渐衰减的圆柱复合热源。采用ANSYS软件模拟了激光深熔焊接K418与42CrMo异种金属焊缝形貌。通过试验验证表明:数值模拟焊缝形貌与试验基本吻合,说明了模型的有效性。     

TC4钛合金激光焊缝形貌与残余应力数值分析

针对激光深熔焊特点,采用均匀体热源模型、双椭球热源模型和组合热源模型,对TC4钛合金CO₂激光深熔焊的焊缝形貌和残余应力进行了数值模拟与试验.结果表明,在进行激光深熔焊焊缝形貌与残余应力数值计算中,应根据激光焊接热输入选择激光热源模型,并提出了均匀热源模型适合较大热输入,双椭球热源模型适合中等热输入,而组合热源模型适合较小热输入的选择原则;组合热源模型和双椭球热源模型均能体现热输入随深度的递减变化,焊缝轮廓呈现圆锥形和钉子形;均匀体热源的上下表面的残余应力分布基本一致,而双椭球热源和组合热源模型的下表面残余应力明显低于上表面.     

基于旋转GAUSS曲面体热源模型的激光焊接热过程的数值模拟

利用旋转GAUSS曲面体新型热源模型,忽略深熔激光焊时小孔对传热的影响,建立了移动激光热源作用下的三维数学模型.采用PHOENICS3.4软件,模拟了SUS304不锈钢深熔激光焊接热过程的温度场和熔池熔合线形状,得到了激光深熔焊接时的温度场分布规律和"钉头"状的熔池形状,数值模拟结果与实验结果基本吻合.     

焊接理论——一般问题

20095032 组合热源模型在焊接数值模拟中的应用／盖登字…／／焊接学报。-2009,30（5）：61-64,68 对不同焊接热源的特征要素进行分析,焊接数值模拟中采用高斯面热源和双椭球体热源处理焊接加热问题均不能准确地反映焊接熔池形状。提出焊缝表面高斯热源和焊缝内双椭球体热源结合的组合热源模型,其熔池与实际焊缝熔合线吻合。     

焊接理论——一般问题

20095032 组合热源模型在焊接数值模拟中的应用／盖登字…／／焊接学报。-2009,30（5）：61-64,68 对不同焊接热源的特征要素进行分析,焊接数值模拟中采用高斯面热源和双椭球体热源处理焊接加热问题均不能准确地反映焊接熔池形状。提出焊缝表面高斯热源和焊缝内双椭球体热源结合的组合热源模型,其熔池与实际焊缝熔合线吻合。     

基于ANSYS的钛合金电子束焊缝形貌预测及验证

采用ANSYS有限元分析软件,建立了3mm厚TCA钛合金平板电子束焊接温度场的三维有限元数值计算模型,选取双椭球体热源模型作为热输入,考虑材料热物理性能参数随温度的变化,通过计算得到焊缝中心线上及附近各点的热循环曲线、熔池及焊缝截面形貌,并估算了焊缝宽度和热影响区宽度。最后用实验加以验证。通过对比分析,模拟和实验结果相吻合,证明有限元模型的准确性。     

激光焊接铝合金材料过程的建模与仿真

在试验基础上,利用有限元软件ANSYS对3A21铝合金材料激光焊接温度场进行了动态模拟。通过对激光焊接非线性瞬态过程的分析,分析与温度场有关的潜热、热传导、对流、辐射等材料热物理属性,建立了激光焊接的移动热源模型。仿真结果表明:激光焊接薄板铝合金的温度场梯度大,热影响区小;温度场中各点温度呈指数式升高和衰减;焊缝和近焊缝区温度升降急剧,焊缝宽度的仿真结果与试验结果相一致,从而验证了所建立的移动热源模型在激光焊接铝合金薄板温度场模拟中的适用性,在一定程度上揭示了激光焊接的成型机理。     

基于组合热源模型的中厚板MIG焊模拟

为实现对复杂形状熔池下中厚板MIG焊过程的准确模拟,通过提取焊缝熔合线,拟合多项式方程,建立了具有特殊空间分布的电弧+熔滴组合热源模型.分别基于该模型和双椭球热源模型对6 mm厚6082-T6铝合金MIG焊进行了有限元模拟,计算了焊接温度场和焊后应力场.结合两种热源模型的模拟结果,从实际焊缝形状、热循环曲线、应力分布测量值三方面进行对比分析.结果表明,组合热源模型调节参数少,其温度场能更好地反映复杂形状熔池,应力场与实测值吻合度更高,适合开坡口的中厚板MIG焊过程模拟.     

铝合金激光焊接过程有限元模拟与分析

激光焊接铝合金过程非常复杂,针对铝合金激光焊接过程的实际情况建立了有限元模型,试图通过有限元模拟的方法揭示激光焊接过程的特点.建模过程中激光热源模型考虑了表面热源和体热源,分别反映等离子体的影响和激光束的作用.利用有限元模型分析了激光焊接过程中小孔的形成和长大过程,同时将模拟结果与试验结果进行比较,模拟出的焊缝宏观截面形状与试验结果表现出较好的一致性,证明所建立的有限元模型是合理的.有限元模型可以用来预测实际焊接过程中不同焊接工艺参数下焊缝的成形情况,可以为激光焊接工艺参数的选择提供理论指导和参考,更好地发挥铝合金激光焊接的优势.     

304不锈钢TIG焊接工艺及数值模拟

采用TIG焊对304不锈钢进行平板焊接试验,并从微观组织、力学性能方面对试验结果进行分析,选出最佳工艺参数为:焊接电流310?A、焊接速度13?mm/s.通过金相组织表征、X射线荧光衍射和电子背散射衍射等分析方法得出焊接接头的焊缝组织奥氏体和铁素体组成.采用大型通用有限元模拟软件Abaqus,选用双椭球热源模型对TIG焊接过程进行模拟.将模拟获得的焊缝截面形貌与试验获得的焊缝截面形貌进行对比,并根据对比结果优化模拟模型,为实现工艺参数优化提供参考.     

Nd:YAG激光+CMT复合热源电弧形态和熔池形貌

以304不锈钢为研究对象,借助高速摄像记录了YAG激光+CMT复合热源焊接的电弧形态和熔池形貌,研究了不同激光功率和光丝间距下的YAG激光+CMT复合热源焊接的电弧形态和熔池彤貌,并与CMT焊接进行了比较,分析了YAG激光+CMT复合热源焊接的电弧形态和熔池形貌发生变化的机理.结果表明,在Nd:YAG激光+CMT复合热...     

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.     

T型角接头焊接热源模型研究

基于有限元软件ANSYS建立了T型角接头的三维热分析模型,阐述高斯热源模型、双椭球热源模型、均匀热源模型以及两种组合热源模型的分布函数形式,并应用各热源模型结合生死单元技术对T型接头焊接过程进行数值模拟,得到不同热源模型下的焊接动态温度场。通过对数值模拟结果的分析对比表明:高斯热源及高斯-双椭球组合热源模型的模拟熔池尺寸大小有限,使得焊缝不能达到完全熔化;双椭球热源、均匀热源模型及高斯-均匀组合热源模型能较真实地模拟焊缝熔合区的形状及温度场分布,其中应用均匀热源模型可达到更为满意的结果。     

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.     

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.     

高氮钢激光-MIG复合焊温度场数值模拟

提出了一种修正的曲线峰值递减锥体热源+峰值递增柱状热源的复合式热源模型,采用该热源模型进行高氮钢激光-电弧复合焊温度场数值模拟,获得高氮钢激光-电弧复合焊焊接过程温度分布。结果表明,修正的热源模型能够对高氮钢激光-电弧复合焊焊缝成形进行较好的表征,模拟计算得到的熔池轮廓与实际测量值吻合较好。由于电弧减缓了材料的冷却速度,熔池呈现泪滴状拖尾,可以较好地表征熔池移动行为。采用模拟计算分析得到的优化工艺参数进行焊接试验,焊后接头力学性能测试结果表明,焊缝最高抗拉强度为1 049 MPa,达到母材的95.4%,焊缝冲击吸收功可达母材的87.5%,为高氮钢激光-电弧焊接工艺的制订提供了指导。     

组合热源模型在焊接数值模拟中的应用

对不同焊接热源的特征要素进行分析,焊接数值模拟中采用高斯面热源和双椭球体热源处理焊接加热问题均不能准确地反映焊接熔池形状.文中提出焊缝表面高斯热源和焊缝内双椭球体热源结合的组合热源模型,其熔池与实际焊缝熔合线吻合.应用上述三种热源对马氏体不锈钢平板对接电弧焊的温度场及应力场进行了数值模拟.结果表明,使用组合热源进行数值模拟较之单独使用高斯或双椭球热源的残余应力计算值与实测值吻合度更高.     

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。     

激光穿透焊温度场及流动场的数值模拟

建立了复合热源作用下的激光穿透焊接熔池流动三维计算模型,热源由作用在激光表面的高斯热源以及沿激光入射方向的柱状热源组成,分别考虑了等离子体和小孔吸收机制。通过添加源项的办法解决了过渡区相变问题,从而将固态区和液态区组合一起求解,简化了固液边界条件的处理难度。通过TC1钛合金激光焊接试验验证了模型的正确性,计算所得的熔池截面与试验结果吻合良好。结果表明,Marangoni对流是形成激光穿透焊“沙漏”状熔池形貌的主要原因。