镁合金圆筒舱体DE-GMAW焊接数值模拟

为了研究AZ31B镁合金焊接接头残余应力分布规律,采用MSC.mar软件对直径200 mm,厚度6 mm的镁合金圆筒舱体环焊缝进行双电极气体保护焊（DE-GMAW）焊接温度场、应力场及残余应力的数值模拟.结果表明,焊缝及热影响区残余应力较大,远离焊缝中心处的残余应力随着距离增加而逐渐减小,除焊缝内外表面外,大部分区域的纵向残余应力大于横向残余应力,这为研究控制镁合金焊接残余应力提供了重要的理论支撑.     

激光-氩弧复合热源焊接镁合金残余应力分析

采用冲击压痕法,对激光-氩弧复合热源焊接镁合金AZ31B焊缝的残余应力进行了测量,分别测量了300mm长镁合金的焊接接头沿焊缝方向和垂直焊缝方向上的残余应力.在此基础上运用有限元分析软件建立了相应的残余应力场,补充和完善了实际测量的数据.在焊缝中间区域得到垂直于焊缝方向上的最大残余应力在200～300MPa之间;在距焊接接头的中5～10 mm处得到最大压应力值,一般小于100MPa.通过对实际测量和模拟数据的综合分析,基本掌握了激光-氩弧复合热源焊接镁合金残余应力的分布规律和特征.     

背反射增效激光X形焊缝焊接残余应力的数值分析

以1.5 mm厚的TC4钛合金薄板为对象,建立了背反射增效激光焊接成形过程的三维瞬态有限元模型,基于熔池温度场通过间接耦合方式获得了X形焊接成形的应力场.结果表明,在常规激光焊接仅能获得V形焊缝的激光工艺参数下,背反射增效激光焊接可获得对称性好的X形焊缝;同时,其焊缝上表面纵向残余应力与常规激光焊接基本一致,但其焊缝下表面纵向残余应力较常规激光焊接要大,且达到了上表面纵向残余应力相同的水平;此外,不同线能量下背反射增效激光焊纵向残余应力的变化很小,表明背反射增效激光焊接的线能量对其焊接残余应力影响的敏感度较低.     

铝合金薄板焊接应力三维有限元模拟

采用热弹塑性有限元方法,对铝合金薄板脉冲TIG焊接接头的焊接应力进行了三维数值模拟,考虑材料性能随温度的变化,对焊接残余应力进行测量.结果表明,铝合金薄板中的焊接应力产生、发展很快,加热结束后不久应力便趋于稳定.热源前缘和两侧区域存在数值很高的纵向和横向动态压应力,焊缝中心的纵向残余拉应力低于母材的屈服强度,距焊缝中心10 mm处的最大纵向残余拉应力达到母材的屈服强度,并且拉应力区较宽,远离焊缝区域的纵向残余压应力数值较大,因此铝合金薄板焊接结构易发生动态和焊后失稳,横截面上纵向残余应力的数值模拟结果与实测结果基本一致.     

镁合金激光氩弧复合热源冷填丝焊接工艺

研究了镁合金的低功率激光-氩弧复合热源冷填丝焊接工艺.通过5 mm厚镁合金板材的堆焊试验,研究了焊接电流、焊接速度、钨极高度和热源距离等参数对焊缝成形和焊接熔深的影响,确定了钨极高度为0.75 mm,热源间距DLA为1.2 mm左右的焊接参数范围;在堆焊基础上,进行了2.5 mm厚镁合金板材的对焊试验,实现了单面焊双面成形,焊接速度达1 200 mm/min,焊接接头熔深为单TIG冷填丝接头熔深的两倍,抗拉强度达到母材的95%左右,实现了高速、优质的镁合金冷填丝焊接.另外,简要分析了激光的加入对焊接过程的影响.     

焊接速度对核压力容器焊接残余应力的影响

采用ANSYS有限元分析法,并利用热-结构耦合及生死单元技术,模拟不同焊接速度对核压力容器上马鞍形焊缝焊后残余应力的影响。通过分析焊后温度场和应力场,发现焊缝中心的残余应力最大,随着距焊缝中心距离的增加,应力逐渐变小。其中焊接速度为450 mm/min和400 mm/min时焊后等效应力变化趋势基本吻合,而420 mm/min时焊后的应力值略高于其他两种。     

A-UIT处理对7075铝合金焊接应力影响的数值模拟

利用ABAQUS有限元分析软件,建立了7075铝合金激光焊的热-力耦合模型;随后利用数值传递法,建立了焊接及超声冲击处理耦合模型;在此基础上引入时效处理的热-力耦合模型,建立焊后A-UIT处理模型,分析了不同处理方法下残余应力分布情况及特点,旨在研究不同处理方法对7075铝合金焊接残余应力场的影响. 结果表明,A-UIT处理能够显著改善焊缝及附近区域的残余应力分布,焊缝中心位置表面纵向残余应力由焊后的180.21 MPa转变为?150.26 MPa,转变率高达183.4%,且相较于单超声冲击处理,A-UIT处理可以缓解超声冲击直接作用区附近的残余拉应力集中问题.     

铝合金LB-VPPA复合焊接残余应力场预测

针对双高能束激光-变极性等离子弧(LB-VPPA)复合焊接热源,基于SYSWELD软件热源模型二次开发功能,在理论分析LB-VPPA复合焊接热源电弧形态的基础上,建立了“双椭球体+三维锥体+圆柱体”热源模型,通过正、反极性不同特性热源模型的循环加载,准确计算出了LB-VPPA复合焊接温度场. 根据热弹塑性理论对相应节点应力的瞬时演变及焊后残余应力分布进行了数值计算,并通过实际焊接工艺试验获得的焊缝截面及残余应力的实际测量,验证了数值计算的准确性. 通过分析对比10 mm厚5A03铝合金VPPA焊和LB-VPPA复合焊接残余应力场发现,LB-VPPA复合焊由于能量更加集中,高温区更为密集,虽然最大纵向残余应力相对较大,但呈最大残余拉应力的区域面积较VPPA焊小. 研究结果对铝合金LB-VPPA复合焊接工艺的研究及实际应用具有一定的指导意义.     

超声辅助搅拌摩擦焊温度场及残余应力场分析

超声辅助搅拌摩擦焊是一项在搅拌摩擦焊的搅拌头上添加轴向高频振动的新技术. 以6 mm厚7075铝合金材料为研究对象,建立了超声辅助搅拌摩擦焊与普通搅拌摩擦焊接的热源模型,通过ANSYS软件研究了轴向振动对焊接过程温度场以及焊后残余应力的影响规律. 结果表明,轴向振动的添加能够增大热输入量,提高焊接峰值温度且降低焊缝残余应力;在相同转速及焊接速度下,当振动频率一定时,焊接峰值温度和焊后残余应力随着振动幅值的增加而增大;当振动幅值一定时,随着振动频率的增大,焊接峰值温度及焊后残余应力也相应增加.     

钛合金(TC4)电子束焊接模拟

通过工艺试验,获得了9 mm厚TC4电子束焊接最佳工艺参数;利用有限元软件ABAQUS建立模型.结果表明,模拟焊缝形貌和表面残余应力结果与实测结果具有非常高的一致性,说明了穿透性强的圆锥热源和辐射性强的双椭球热源组成的复合热源能够有效地反应出电子束焊接特点,证明了有限元模型的正确性;进而对模拟结果进一步分析,得到焊缝周围存在较高残余应力,尤其是在焊件内部存在危险的三维拉伸应力状态.     

MB8镁合金激光——MIG复合焊接分析

实现了10 mm厚MB8镁合金的激光-MIG(metal inert gas)复合焊接,并对其工艺稳定性、接头形貌特征、微观组织和力学性能进行了分析.在激光-电弧相互作用下,镁合金复合焊接内的MIG电弧燃烧和熔滴过渡稳定性显著提高,并获得饱满均匀的复合焊缝.在文中试验条件下,复合焊接速度比单独激光焊接高25%.因为表面凹坑缺陷的消除,复合焊接接头抗拉强度远高于激光焊接接头,达到母材的87.2%.此外,复合焊缝熔合区中心区域组织为等轴晶,靠近熔合线区域为柱状晶.在复合焊缝内,相对较低的凝固速度,上半部分宽大电弧区的晶粒尺寸明显大于下半部分细窄激光区.结果表明,激光-MIG复合焊接是MB8镁合金的有效焊接方法.     

随焊高速气流场辅助高强铝合金薄板焊接应力演变及控制变形机理

从力学角度出发提出了“随焊高速气流场”柔性控制高强铝合金薄板焊接失稳变形的新方法,研究了该方法控制2A12高强铝合金薄板焊接变形的有效可行性,分析了随焊高速气流载荷对薄板应力演变规律的影响,阐明了其控制焊接残余应力及变形机理.基于有限元法分析了温度场及应力场,确定了气动载荷与热源作用距离这一关键因素,并获得了气体压力的合理有效范围.在自行研制的随焊高速气流场装置上进行试验验证.结果表明,当气动载荷作用距离为20 mm、气动载荷为30 MPa时,焊接失稳变形基本消失,焊缝中截面上的纵向残余拉应力峰值较常规焊下降了77.73%,残余压应力峰值下降了69.23%,板边变形最大挠度仅为0.9 mm,较常规焊的8.5 mm下降了89.41%.试验结果与模拟结果吻合良好,验证了随焊控制模型的正确性.     

超声冲击处理对7A52铝合金焊接应力影响的数值模拟

利用有限元软件ABAQUS,建立了7A52铝合金双丝MIG焊的热力耦合数值模型,得到焊接残余应力场;随后利用数值传递方法,对焊接接头处进行超声冲击处理,建立焊接和超声冲击处理耦合模型,得到冲击后的残余应力场,分析了冲击前后残余应力分布特点和大小,并且通过改变冲击针移动速度分析其对残余应力的影响规律.旨在探讨超声冲击对7A52铝合金焊接残余应力改善的影响.计算结果表明,超声冲击处理能够显著改善焊缝和热影响区的表面残余应力,且随着冲击移动速度的增加,得到的焊接接头处压应力值逐渐减小.     

坡口形式对半管夹套焊接温度和残余应力的影响

半管夹套焊接时不可避免产生残余应力,容易导致其焊接部位开裂泄漏.文中对不同坡口形式的半管夹套进行焊接试验,并利用有限元软件ABAQUS对焊接温度场及残余应力进行数值模拟.结果表明,不开坡口,加热温度不足以使夹套和筒体接触界面的金属完全熔化;开2 mm平行坡口时,焊缝根部温度未达到熔点,焊缝金属流动不足以填充根部间隙,产生未焊透;开45°外坡口,能保证完全焊透,且焊缝成型较好,焊缝根部的残余应力比不开坡口降低33%,筒体残余应力整体降低35%,有利于降低应力腐蚀开裂的敏感性.在实际焊接时,应开坡口焊接,禁止不开坡口或采用2 mm平行坡口.     

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.     

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.     

Internal residual stress measurement on linear friction welding of titanium alloy plates with contour method

The internal residual stress within a TC17 titanium alloy joint welded by linear friction welding (LFW) was measured by the contour method, which is a relatively new and destructive technique to obtain a full map of internal residual stress. The specimen was first cut into two parts; the out-of-plane displacement contour formed by the release of the residual stress was then measured; finally, taking the measured contour of the cut plane as the boundary conditions, a linear elastic finite element analysis was carried out to calculate the corresponding distribution of residual stress normal to the cut plane. The internal stress distribution of the TC17 titanium alloy LFW joint was also analyzed. The results show that the tensile residual stress in the TC17 LFW weld is mainly present within a region about 12 mm from the weld centerline; the peak tensile residual stress occurs at the weld centerline and reaches 360 MPa (about one third of the yield strength of TC17 alloy); within the weld zone of the TC17 LFW weld, the through-thickness stress is not uniform, and the internal stress is larger than that near the top or bottom surface.     

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。     

HT250冷焊表面残余应力试验

利用亚激光瞬间熔冷焊机对柴油发动机缸体所用材料HT250表面缺陷进行修复,并用x射线法测定焊缝两侧表面残余应力,以此研究冷焊残余应力分布规律以及与不同工艺参数间的关系．结果表明,靠近焊缝处为拉应力,远离焊缝处为压应力：冷焊残余应力范围很小,峰值主要分布在离焊缝中心5mm的范围内,离焊缝中心20mm处,残余应力接近为零;时间参数对残余应力峰值的影响较小,而能量参数对残余应力峰值的影响较大;通过改变时间与能量参数组合,可以得到较小的残余应力峰值,满足发动机再制造零部件表面损伤的修复要求．     

钢管混凝土拱桥大管径拱肋环焊缝焊接数值模拟

为了研究大管径拱肋环焊缝焊接接头残余应力分布规律,用ANSYS软件对直径1 400 mm,厚度26 mm的拱肋环焊缝进行了焊接温度场及应力场数值模拟. 分析了焊接过程的温度分布云图及应力分布云图,获取了特征节点的热循环曲线,分析了焊后内外表面各残余应力分布情况及内表面残余应力形成过程. 结果表明,等效残余拉应力峰值出现在钢管内表面焊缝底部. 焊后径向和环向残余应力在内、外表面大部分区域形成压应力,轴向残余应力在内、外表面形成拉-压相间的应力分布,等效残余应力在内、外表面均为拉应力. 残余应力形成过程中,第2 ~ 7层的径向、环向、轴向及等效残余应力曲线与第1层径向、环向、轴向及等效残余应力曲线相比,除在波峰及波谷处有较小变化外,其它区域残余应力几乎不变.