TC4合金空心阴极真空焊接熔池动态行为的数值模拟

建立了空心阴极真空电弧焊(Hollow Cathode Vacuum Arc Welding, HCVAW)焊接TC4钛合金板(5mm厚)熔池中流体流动和传热过程动态行为的物理、数学模型,并对焊接过程进行了数值模拟计算和工艺试验、通过计算,找出了焊接速度和焊接电流等工艺参数对焊缝成型的影响规律,并计算出焊接过程中工件上的温度场分布和熔池中的流场分布,计算结果与实验结果基本相符.     

非均匀温度场Fe-0.06%C合金焊接接头凝固过程模拟分析

利用元胞自动机和有限差分(CA-FD)法,采用宏-微观两种尺度,将宏观温度场与微观枝晶生长过程耦合在一起,再现了Fe-0.06%C二元合金焊接熔池的凝固过程.同时,探讨了边界散热速率对焊接熔池中枝晶生长形貌及晶粒尺寸的影响;分析了形核基底数与枝晶生长间的关系;并用实验对模拟结果进行了验证.结果表明,在熔池凝固过程中,温度梯度沿散热边界向绝热边界方向不断减小,等温线弧度不断增大;熔池散热边界附近的液相中溶质浓度远远高于绝热边附近和模拟区域中心的液相溶质浓度;模拟区域内的温度梯度随着边界散热速率的增大而升高.此外,随着形核基底的增加,柱状晶数量基本不变;而等轴晶数量不断增多,分布范围逐渐扩大,但尺寸有所减小.模拟结果反映了焊接熔池的凝固过程,并与实验结果吻合,为实际焊接工艺的选取提供了一定的参考.     

等离子弧焊接熔池和小孔形成过程数值分析

目的 研究等离子弧焊接穿孔过程中熔池内部的金属流动情况和小孔动态变化过程。方法 通过“传热-熔池流动-小孔”之间的相互耦合关系,建立了等离子弧焊接穿孔过程的数值分析模型,通过VOF方法追踪了小孔界面,采用FLOW-3D软件模拟了等离子弧焊接熔池和小孔的形成过程,定量计算了等离子弧焊接温度场、熔池流场及小孔形状;分析了等离子弧焊接熔池和小孔行为;并通过等离子弧焊接实验数据验证了模拟结果。结果 当焊接时间为0~1.0 s时,小孔深度曲线与熔深曲线几乎相同,小孔底部紧贴熔池底部;在2.8 s以后,小孔深度曲线与熔深曲线有一定距离,小孔深度曲线在一定范围内波动,等离子弧焊接电弧挖掘作用到达极限,电弧压力与其他力达到平衡状态。模拟的焊缝熔深为8.04 mm、熔宽为13.20 mm,实验测得的焊缝熔深为8.00 mm、熔宽为13.42 mm。结论 构建的随小孔动态变化的曲面热源模型和电弧压力模型可以描述等离子弧焊接过程中的电弧热-力分布;模拟出了等离子弧焊接熔池和小孔动态演变过程;模拟得到的等离子弧焊接焊缝形貌与实验测得的焊缝形貌基本吻合。     

焊接熔池中元素分布规律及其影响因素的研究进展

焊接过程中焊接熔池内部的流体流动传热过程对熔池的形状、气体及夹杂物的吸收、聚集和逸出等影响很大,尤其影响元素在熔池中的分布。研究发现,熔池内流体主要受表面张力、浮力和电磁力的作用,其中表面张力对熔池形状起主导作用;焊接热输入、功率、焊接速度均对焊接熔池的形成有不同程度的影响。在焊接过程中,不同材料在交界处会发生元素互扩散,不同的元素扩散系数相差较大,而同种元素在不同扩散深度处的扩散系数却相差不大。由于焊缝中元素分布是否均匀直接关系到焊接接头的质量,因此元素在熔池熔化过程中具体的扩散形式以及在熔池凝固后元素的偏析情况是未来的研究热点。     

TIG焊接熔池表面变形对流场与热场的影响

利用流体力学理论和变分法原理,根据熔池本身重力、电弧压力和表面张力之间的动态平衡,推导出了 TIG 焊接熔池表面变形的计算公式。建立了熔池表面存在变形的流场与热场的数学模型。采用 SIMPLER 方法对不锈钢试件焊接熔池内的流场与热场进行了数值分析。焊接工艺试验表明,该模型计算的熔池成形与实验值吻合良好。     

半球体焊接熔池弹性波动力学理论的研究

采用弹性体力学理论,对焊接熔池波动力学进行了探讨。建立了焊接熔池波动方程。证明了波动方程解的稳定性,并获得了波动方程的通解。通过有限差分法求解了焊接熔池波动频率与焊接熔池半球体半径R之间关系的数值解。为实时检测焊接熔深变化提供了一种有效方法,采用1Cr18Ni9Ti的试验结果与理论计算结果吻合良好。     

固定电弧脉冲TIG焊接熔池流体流动与传热模型

在浮力、电磁力和表面张力梯度共同作用下对固定电弧脉冲ＴＩＧ焊接熔池中的流体流动与传热的动态过程建立了数学模型。在控制方程组强烈耦合的情况下，将处理导热问题边界条件的附加源项法应用于处理动量边界条件，同时采用交替方向隐式迭代法及双块修正技术，使求解非稳态控制方程组的迭代收敛速度大为提高。计算结果展示了脉冲ＴＩＧ焊接过程中，随着焊接电流的周期性变化，熔池流场与热场的周期性变化规律以及熔池形成的动态发展过程。根据该模型得出的计算结果与试验测定结果吻合程度良好。     

焊接参数对TC4薄板焊接过程的影响

目的 揭示焊接参数对TC4薄板焊接过程中温度场、位移场及应力场的影响规律。方法 基于有限元（FEM）模拟方法,运用Fortran语言对焊接热源及焊接参数进行定义,以模拟不同焊接参数下TC4薄板的TIG对接焊过程。结果 在稳弧阶段,温度场为一组以焊接方向为长轴的椭圆,且存在温度梯度,随着焊接速度的增大,温度场峰值、温度场温度梯度、熔池宽度和熔池体积逐渐减小,而焊接效率和焊接电流对温度场的影响与焊接速度刚好相反;随着焊接速度的增大,薄板最大变形量逐渐减小,焊接角变形及挠度变形逐渐得到改善,而焊接效率和焊接电流对位移场的影响与焊接速度刚好相反。在稳弧阶段,焊缝位置的残余应力为拉应力,两侧为压应力,随着焊接速度和焊接电流的增大,纵向残余拉应力逐渐增大,焊缝处高应力集中区的宽度逐渐减小,而焊接效率对应力场的影响与焊接速度刚好相反。在高焊接速度、中等焊接效率、低焊接电流参数条件下,可获得熔池体积小及熔池宽度窄的焊缝,有利于减小焊后残余应力与变形。结论 上述研究结果可为TC4薄板的焊接过程提供一定的理论指导。     

基于机器学习的薄板等离子弧搭接焊的熔深预测

在等离子弧搭接焊中,搭接焊接头的焊缝熔深是评价焊接质量的关键指标之一,而焊接过程中的热输入信息和熔池图像信息都与焊缝熔深有密切关系。本文通过建立304L不锈钢薄板等离子弧搭接焊数据采集系统,利用LabVIEW实时检测电信息,采用视觉传感技术实时获取薄板等离子弧搭接焊过程中的熔池图像,并通过图像处理方法获得熔池的几何参数信息,结合焊接工艺参数,选择峰值电流、峰值电压、焊接速度、离子气流量、保护气流量、熔池宽度和熔池后端长度作为输入量,焊缝熔深作为输出量,建立了基于支持向量机回归和BP神经网络的熔深预测模型。实验验证表明,采用径向基函数的支持向量机回归模型可以有效地对焊缝熔深进行预测,并具有很好的泛化能力,可为进一步实现在线优化焊接工艺参数提供依据。     

铝合金方波交流等离子弧立焊穿孔熔池动态稳定性研究

采用工频方波交流电源和相应自制设备研究了焊接工艺参数对穿孔熔池动态稳定性的影响规律。结果表明:间隙对穿孔熔池动态稳定存在影响较大。焊接电流一定范围内变化对穿孔熔池动态稳定性影响较小。虽然离子气流量的变化对穿孔熔池的孔径影响较小,但对熔池金属的流动性和焊缝成形影响较大。正确送丝可提高穿孔熔池动态稳定性。上述规律为铝台金方波交流等离子弧立焊过程焊接质量控制提供了依据。     

铝锂合金电子束焊接数值模拟分析及工艺优化

采用组合热源模型对Al-Li合金电子束焊接温度场分布进行数值模拟分析,通过热-力耦合,模拟计算得到接头区域的残余应力分布.结果表明,Al-Li合金电子束焊接温度场沿焊接方向呈椭圆形分布,电子束热源中心的温度最高,其附近区域的等温线分布密集,随着与热源中心的距离增大,等温线分布逐渐稀疏,焊缝区存在较大的温度梯度,较好地模拟出了电子束焊缝的钉形分布特征.接头的残余应力分布模拟结果显示,残余应力主要集中于焊缝区,由于修饰焊的热作用,焊缝上部具有相对较大的应力值.利用模拟计算得到的结果进行焊接工艺及参数优化,焊接工艺试验表明,试验焊缝形貌与模拟熔池形貌相吻合,进一步验证了模拟计算结果的可靠性.     

高强钢激光电弧复合焊接温度场的数值模拟与试验研究

目的 对厚度为12 mm的HG785D高强钢进行复合焊接,获取最佳焊接工艺参数,建立适用于激光-MIG(Metal Inert Gas Welding)复合焊接的热源模型.方法 采用激光-MIG复合焊接方法进行焊接试验,建立适用于HG785D高强钢激光-MIG复合焊接的"高斯锥形体+均匀锥形体+高斯柱形体"复合热源模型...     

TC4合金等离子–MIG复合焊过程温度场的数值模拟

目的 研究TC4合金在等离子-MIG复合焊(Plasma–MIG Hybrid Welding)过程中的温度场特性,探究不同电弧功率对熔池形貌的影响。方法 进行了2组4 mm TC4合金板堆焊试验,根据实验结果提出了一种改进的复合热源模型并进行了相应的仿真分析。结果 仿真与实验获得的焊缝截面相吻合;等离子电流的增大使熔池尺寸增大且余高减小,等离子电弧功率的变化对熔池宽度的影响相对较小。结论 等离子–MIG复合电弧对工件的热作用非常集中,更易实现深熔焊、焊接效率更高;所提出的热源模型适用于TC4合金等离子–MIG复合焊温度场模拟。     

基于ANSYS 的D500 钢激光焊接温度场数值模拟

目的研究D500钢激光焊接温度场的变化。方法运用ANSYS有限元分析软件,以5 mm厚D500钢为研究对象,采用均匀分布的柱体热源与椭球热源组合的方法,建立了激光焊接热源模型。对D500钢激光焊接温度场进行了模拟计算,并与实验所得焊缝形状及尺寸进行了比较分析。结果结果表明,数值模拟所得焊缝截面尺寸与实验结果一致性达到95%以上。结论验证了柱体热源与椭球热源的组合热源模型在D500钢激光深熔焊接温度场模拟中的适用性,从而为不同焊接工艺条件下D500钢激光焊接焊缝形状和尺寸的预测,提供了一种有效的途径。     

异种钢激光-电弧焊复合焊接数值模拟

目的研究异种钢激光-GMAW复合焊接温度场以及应力场变化。方法运用ANSYS有限元分析软件,以5 mm厚D500钢和A514钢为研究对象,采用均匀分布的柱体热源与椭球热源组合的方法,建立了激光-GMAW焊接热源模型,对异种钢激光电弧复合焊接过程进行了模拟计算,并与实验所得的焊缝形状以及焊后残余应力进行了对比。结果结果表明,异种钢激光电弧复合焊接过程焊接变形以及残余应力实验结果与数值计算结果吻合较好。结论验证了锥体加柱体热源与椭球热源的组合热源模型在异种钢激光-GMAW复合焊接温度场及应力场模拟中的适用性,从而为不同焊接工艺条件下异种钢激光-GMAW复合焊接的焊缝形状和尺寸预测,提供了一种有效的途径。     

等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊熔池流体行为研究

目的 研究等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊过程的熔池流体行为.方法 综合考虑传热学以及流体动力学,建立Fluent数值分析模型.使用双椭球–锥体热源模型代表等离子弧焊传热模型,用双椭球热源表征GMAW电弧传热并考虑熔滴传热,同时考虑熔池受到的电磁力、浮力、表面张力、等离子流力等作用力.基于Fluent软件,对复合焊过...     

Finite Element Analysis of Modeling Residual Stress Distribution in All-position Duplex Stainless Steel Welded Pipe

On the basis of the thermal-elastic-plastic theory, a three-dimensional finite element numerical simulation is performed on the girth welded residual stresses of the duplex stainless steel pipe with ANSYS nonlinear finite element program for the first time. Three-dimensional FEM using mobile heat source for analysis transient temperature field and welding stress field in circumferential joint of pipes is founded. Distributions of axial and hoop residual stresses of the joint are investigated. The axial and the hoop residual stresses at the weld and weld vicinity on inner surface of pipes are tensile, and they are gradually transferred into compressive with the increase of the departure from the weld. The axial residual stresses at the weld and weld vicinity on outer surface of pipes is compressive while the hoop one is tensile. The distributions of residual stresses compared positive-circle with negative-circle show distinct symmetry. These results provide theoretical knowledge for the optimization of p     

高压电缆铝护套焊缝缺陷ACFM检测方法及检测系统的研究

针对在氩弧焊型高压电缆铝护套焊接过程中易出现表面漏焊、埋藏未焊透和焊穿等缺陷的问题,提出了焊缝缺陷的交流电磁场检测（alternating current field measurement, ACFM）方法。首先,利用COMSOL多物理场仿真软件建立高压电缆铝护套焊缝缺陷ACFM模型,研究U形磁芯上的励磁线圈在不同类型铝护套焊缝缺陷区域产生的感应电流的密度分布特点和和磁场信号特征;其次,设计了可获取缺陷长度和深度信息的正交式接收线圈,制作了带有缺陷的电缆铝护套焊缝试件及ACFM实验平台;最后,进行了不同类型铝护套焊缝缺陷的检测及结果分析。实验结果表明,ACFM方法能够有效用于3 mm厚的高压电缆铝护套焊缝表面漏焊和焊穿缺陷的检测,并且能够有效识别埋深为2 mm,长、宽、深分别为10,0.3,1 mm的埋藏未焊透缺陷。研究结果为高压电缆铝护套焊缝缺陷的识别和焊缝质量的评价提供了重要参考。     

FEM prediction of welding residual stresses in a SUS304 girth-welded pipe with emphasis on stress distribution near weld start/end location

A finite element approach based on Quick Welder software is developed to simulate welding temperature field and welding residual stress distribution in a 3D multi-pass girth-welded pipe model. The characteristics of welding residual stress distributions in a SUS304 stainless steel pipe induced by heating with a tungsten inert gas arc welding torch are investigated numerically. Meanwhile, an emphasis is focused on examining the welding residual stress distributions in and near the weld start/end location. Moreover, the residual stresses predicted by the present computational approach are compared with the measured data; and the comparison suggests that the numerical simulation method has basically captured the feature of welding residual stress distribution near the weld start/end region. The numerical simulation results show that both the hoop and the axial residual stresses near the weld start/end region have sharp gradients and are significantly different from those in the steady range.