焊接过程数值模拟材料参量的确定

使用随温度变化的材料热—力学参量,研究了屈服强度、热导率、比热容、弹性模量、线膨胀系数、密度及泊松比7个热物理与力学参量对焊接残余应力峰值的影响.结果表明,屈服强度和热导率的变化范围较大,对纵向残余应力峰值影响显著;比热容、弹性模量、线膨胀系数和密度的变化范围较小,对纵向残余应力峰值影响不大;泊松比的变化范围与线膨胀系数和密度的相当,但对纵向残余应力峰值影响非常小.使用切条释放法对铝合金2A12-T4平板中纵向焊接残余应力模拟结果进行试验验证,模拟结果与试验结果吻合良好,证明了模拟结果的正确性.     

有限元分析热—力学参量对焊接残余应力峰值特征的影响

使用随温度变化的材料热—力学参量,采用双椭球热源模型,研究了弹性模量、线膨胀系数、泊松比三个热—力学参量对焊接残余应力的影响.结果表明,弹性模量增加可使焊接残余应力增大,纵向残余应力峰值从双峰特征过渡到单峰特征;线膨胀系数降低可使焊接残余应力峰值降低,纵向残余应力峰值的双峰与波谷差值也逐渐减小;随着泊松比的增加,纵向残余应力峰值逐渐下降.因此,热—力学参量是导致铝合金纵向焊接残余应力峰值比屈服极限低以及焊缝附近呈现双峰分布特征的重要原因.使用切条释放法对材料参量为铝合金2024-T4的平板中纵向焊接残余应力模拟结果进行试验验证,模拟结果与试验结果吻合良好.     

热-物理与力学参量对混合钢U肋加劲板残余应力分布影响

建立三维热弹塑性有限元模型,使用随温度变化的材料热-物理与热-力学参量,对混合钢U肋加劲板的焊接温度场和应力场进行了模拟.应用经试验验证的焊接残余应力数值模拟方法,研究了热导率、比热容、密度、弹性模量、泊松比、线膨胀系数共6个热-物理与力学参量对混合钢U肋加劲板焊接残余应力的影响.结果表明,热导率和泊松比对混合钢U肋加劲板焊接残余应力分布影响很小;弹性模量和热膨胀系数对母板残余拉应力和残余压应力以及U肋腹板残余压应力大小影响最大,次之为比热容、密度.因此,对于残余压应力比较敏感的受压混合钢U肋加劲板,在焊接残余应力数值模拟中弹性模量和热膨胀系数的取值正确与否将对计算结果产生较大影响.     

AH36薄板不同焊接工艺下应力的三维数值模拟

通过建立三维有限元模型,对不同焊接条件下6 mm厚AH36钢薄板焊接残余应力峰值和分布进行了数值计算和试验研究.结果表明,在冷却方式相同的情况下,焊接应力峰值与热输入相关,采用混合焊方法的试样应力较大;在焊接方法相同的情况下,不同冷却方式的纵向焊接应力分布规律不同.与常规焊相比随焊激冷改善了焊接残余应力场分布,尤其是降低了残余拉应力峰值.为验证有限元模拟结果的准确性,采用相同参数进行焊接试验,试验结果与数值模拟结果基本一致,表明采用三维有限元模拟技术可以掌握不同焊接条件下焊接应力演变规律,为控制焊接残余应力提供了依据.     

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.     

铝合金壳体及其橡胶密封圈焊接温度场数值模拟

采用有限元法对方形电容器铝合金壳体焊接结构在密封焊过程中的温度场演变规律进行模拟计算。在实际构件上截取焊缝试样进行宏观观察,确定焊缝的几何参数;在热扩散仪上对材料的热导率和比热容进行测试,获得有限元计算所需准确的材料热物理参数;在材料试验机上对材料进行高温拉伸试验,通过多个温度点的应力应变曲线判断材料的熔点温度。有限元计算结果表明,随着焊接热输入的不断累积,焊接峰值温度的升高会对橡胶元器件造成一定影响,合理控制工艺参数可以避免焊接温升造成的橡胶元器件损坏。     

Q345钢对接接头残余应力与变形的预测

以ABAQUS软件为平台,开发了用于模拟多层多道焊接头温度场、残余应力和焊接变形的热-弹-塑性有限元计算方法. 利用所开发的计算方法对板厚为16 mm的Q345钢平板对接接头的温度场、应力场和变形进行了数值模拟. 采用试验方法测量了对接接头的残余应力和角变形. 试验结果与数值结果比较吻合,验证了所开发方法的有效性. 结果表明,在板厚相同的条件下角变形和横向收缩随着焊接层数的增多有增大的趋势;焊缝附近的纵向拉伸应力区域分布范围随焊接层数的增加略有减小;焊接层数对纵向残余应力的峰值影响较小.     

静态拉伸载荷下焊接残余应力演变规律

静态工作应力与焊接残余应力叠加,将导致构件产生局部塑性变形以及焊接残余应力重新分布,静态工作应力卸载后,可以降低残余应力峰值。基于此理论,选用A6005A-T6铝合金焊接接头作为研究对象,研究静态加载条件和逐级加载条件下残余应力的演变规律。结果表明:平板焊接试板经过静态拉伸(加载载荷150 MPa)后残余应力发生了很大程度的释放,纵向残余应力峰值由125 MPa降为48 MPa,横向残余应力峰值由155 MPa降为56 MPa。这是因为外载与残余应力叠加超过材料屈服强度产生了塑性变形,残余应力发生释放。焊接构件使用前可以进行一定程度的静拉伸,从而消除一部分残余应力,尤其是降低残余应力的峰值。     

固态相变对P92钢焊接接头残余应力的影响

采用光学显微镜、显微硬度仪和盲孔法研究了P92钢平板焊接接头的微观组织、显微硬度和表面残余应力分布.同时,基于SYSWELD软件开发了考虑材料固态相变的热-冶金-力学耦合的有限元计算方法,并采用该方法模拟了P92钢的Satoh试验和单道堆焊接头的温度场及应力场分布,探讨了固态相变引起的体积变化、屈服强度变化和相变塑性(TRIP)对焊接残余应力形成过程及最终残余应力分布的影响.实验结果表明,P92钢平板焊接接头焊缝组织为淬火马氏体,其平均显微硬度为440 HV,母材(BM)组织为回火马氏体,其显微硬度为240 HV.Satoh试验的数值模拟表明,固态相变引起的体积变化和屈服强度变化不仅对残余应力的形成过程及最终应力的分布和峰值大小有显著影响,甚至可以改变应力的符号;而TRIP效应则具有减缓因体积膨胀和屈服强度变化所引起应力变化趋势的作用.进一步的计算结果表明,P92钢堆焊接头焊缝和热影响区(HAZ)的纵向残余应力为压应力,而靠近HAZ的BM上存在较大的纵向拉应力,峰值为600 MPa,该值超过了P92钢的室温屈服强度;整个焊接接头的横向残余应力峰值为130 MPa,远小于其纵向残余应力的峰值.数值计算结果与盲孔法测量得到的结果比较吻合,表明了所开发的热-冶金-力学耦合的有限元计算方法有较高的计算精度.     

薄壁铝合金搅拌摩擦焊焊接应力变形与控制

搅拌摩擦焊(FSW)焊接残余应力变形表现出与传统熔焊不同的规律,文中研究了薄壁铝合金搅拌摩擦焊残余应力分布规律和焊接变形控制方法,结果表明,纵向残余应力峰值并非出现于焊缝中心,热影响区和热机影响区是残余应力相对较大的区域.基于动态低应力无变形焊接方法,设计开发了一套热沉系统,进行了动态低应力无变形FSW试验.研究表明,动态低应力无变形焊接技术可以有效减小搅拌摩擦焊接头残余应力和变形,接头残余应力分布规律与常规搅拌摩擦焊接头残余应力分布类似,但应力峰值降低50%以上.     

高速列车框架焊接的双椭圆柱高斯分布热源模型

根据高速列车车体结构焊接工艺特点,分析并改进常用高斯热源,提出适用于铝合金惰性气体保护焊接（MIG）的双椭圆柱-高斯分布热源模型.该热源模型基于焊接速度移动,形成的熔池表面为双椭圆形状,热流密度沿厚度方向均匀分布,在径向呈高斯-双椭圆分布.基于热源模型的数学表达,以有限元方法实现了热机耦合的焊接过程仿真,与薄板试验结果比较,温度场分布与降低趋势较好地吻合;拉应力峰值出现在熔合线和热影响区,仿真值、试验值分别为88.8,85 MPa.结果表明,该热源模型有效地模拟焊接温度场时域上的变化过程,准确地预测结构变形、残余应力分布规律,应用于高速列车头车框架结构焊接工艺优化及残余应力评估,为高速列车焊接质量控制及焊接工艺参数选择提供理论指导.     

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.     

线能量对A7N01铝合金焊接接头残余应力的影响

焊接残余应力的产生主要是焊接过程中热输入不均匀所造成,因此焊接工艺参数尤其是焊接线能量对焊接接头的残余应力影响较大。通过实际测量与仿真计算相结合的方法,研究线能量的变化对A7N01S-T5铝合金双脉冲MIG焊接头残余应力的影响。结果表明,线能量的增大提高了热输入量,使纵向残余拉应力峰值从149 MPa增加到190 MPa;横向拉应力峰值之间相差不大,但横向拉应力峰值较纵向拉应力峰值高出约27 MPa。仿真计算结果与实测值的应力分布趋势和拉应力的峰值相近,二者之间形成较好的印证关系。     

复杂铝合金焊接结构的残余应力数值模拟分析

以SYSWELD有限元软件为平台,开发了基于瞬间热源的高效计算方法来模拟复杂铝合金结构的焊接残余应力. 首先以6061铝合金平板堆焊接头为研究对象,分别采用移动热源和瞬间热源计算接头的焊接残余应力,对比两者的计算结果验证瞬间热源法的有效性. 随后,将所开发的高效计算方法用于模拟6系铝合金复杂结构的焊接瞬态应力和残余应力,并将计算结果用于分析实际产品制造中开裂问题的原因,并提出了两种减缓和防止铝合金结构开裂的方案,即减小焊接热输入和增大开裂位置型材的板厚. 结果表明,铝合金结构在焊接生产制造过程中发生开裂是由该位置产生了高瞬态拉伸应力所致. 降低关键焊缝焊接热输入和增加型材板厚,均对结构开裂位置的瞬态焊接应力有一定程度的改善,且增加型材厚度的改善效果更好.     

铝合金变极性等离子弧焊应力场数值分析

以传热学及热弹塑性有限元分析法为理论基础,利用ANSYS有限元分析软件,对铝合金变极性等离子弧焊接温度场、应力场进行数值模拟. 建立 "高斯+双椭球"热源模型,通过正反极性不同尺度热源模型的循环加载,实现对焊接温度场及其应力场较准确的计算;焊后在焊缝的纵、横方向选取不同的点进行残余应力实际测量. 结果表明,不同路径上焊接残余应力值其分布规律与理论基本相同;实际测量结果同计算结果进行比较,二者数值相差较小,说明数值分析的计算结果具有一定的理论指导意义.     

2195-F态铝锂合金TIG焊和FSW焊后残余应力分析

采用盲孔法和压痕法,分别对2195-F态铝锂合金手工TIG焊和FSW焊后残余应力进行测量. 结果表明,盲孔法的测量值普遍高于压痕法. 两种焊接方法,近焊缝区的纵向应力均高于横向应力;横向应力整体表现为压应力或小于50 MPa的拉应力;纵向应力在热影响区附近表现为大于焊缝的拉应力. 焊缝区附近,手工TIG焊纵向残余应力大于FSW,且纵向残余应力表现为较大的拉应力,最大值接近于接头的屈服强度;焊缝区外,手工TIG焊和FSW残余应力值相差不大,其横向残余应力基本表现为很小的拉应力或者压应力.