T形接头冷丝填充双热源协同焊接数值模拟

为提高T形接头的焊接效率、降低其焊接变形,本文提出了冷丝填充双热源协同焊接的工艺方法,主要利用有限元模拟技术研究了厚度6 mm的5083铝镁合金T形接头双热源协同焊接温度场、应力场及变形特征.模拟结果显示,双热源热输入相同的情况下,T形接头焊接温度场在立板两侧呈对称椭圆形分布,椭圆长轴与焊接方向一致,热源后方区域的温度梯度小于前方,主要是同时受到电弧与凝固焊道热量的叠加作用所致,热量分布范围拓宽;底板x方向的纵向残余应力呈"多峰"状对称分布,近缝区以拉应力为主,应力峰值为111.6 MPa;远缝区以压应力为主,应力值随着远离焊缝而变大,原因是距离热源越远,焊接热应力越小,压应力峰值为73.4 MPa;立板y方向从底部到顶部呈从"拉"到"压"的演变趋势,纵向残余应力先减小后微增,近缝区应力峰值为183 MPa,远缝区应力峰值为33.5 MPa;T形接头的横向收缩变形最大,变形量峰值为1.727 mm,主要与熔池金属冷却凝固时横向剧烈收缩、"拉拽"热影响区和母材有关.     

6061-T6铝合金中厚板-节点套多层多道焊数值模拟

为研究铝合金中厚板-节点套接头在多层多道焊后的残余应力和变形分布,本文基于ABAQUS软件建立了该接头三维有限元模型,采用双椭球热源、生死单元法以及顺序耦合法,对6061-T6铝合金中厚板-节点套多层多道焊进行数值模拟,并分析了接头的温度场,以及在夹具约束下的焊接残余应力及变形的分布情况。研究结果表明:数值模拟与实际接头的熔池形状吻合度较高;摆动焊接过程中温度曲线呈多峰结构;焊件的升温速率明显大于冷却速率,且冷却速率随时间逐渐减小;焊接残余应力主要集中在焊缝及夹具区域,且小于6061-T6铝合金在室温下的屈服强度;接头的最大横向残余应力为129.9 MPa,中厚板上的横向残余应力大于节点套上的横向残余应力;接头的最大纵向残余应力为132.9 MPa,沿焊接方向,焊缝处的纵向残余应力呈山峰状分布;该接头在Y轴方向上的变形最大,为1.494 mm,该接头的最终变形结果为上凸变形。     

超高转速搅拌摩擦焊铝合金板的焊接变形和残余应力

采用10 000r·min~(-1)以上的超高转速搅拌摩擦焊设备,对100mm×80mm×1mm的2014铝合金板进行了对接焊。利用水雾冷却的方法控制铝合金板的变形,得到了表面成型良好且变形较小的焊件,并对焊件的焊接变形和残余应力进行了测定和分析。结果表明:该2014铝合金板的焊缝无减薄,横向最小挠度为0.25mm,纵向最小挠度为0.3mm;焊缝处的残余应力很低,纵向残余应力峰值区间为-43~-83 MPa。     

冷-热源辅助对FSW残余应力影响的数值模拟

目的采用焊接中施加冷热源辅助的方式对焊接应力进行控制,以减小焊后残余应力。方法采用热机耦合数值模拟的方式对2024铝合金搅拌摩擦焊接过程进行仿真,研究采用焊缝两侧加热且底部激冷的温差拉伸辅助工艺降低残余应力的效果。结果与常规工艺相比,温差拉伸时焊缝附近区域的温度梯度明显减小,焊缝区域温度峰值降低了75.3℃;搅拌头后方形成一个焊缝两侧温度高中间温度低的马鞍形温度场。两种工艺下的纵向残余应力峰值均位于焊缝边缘;相比于常规工艺,温差拉伸工艺下的残余应力峰值降低了23.4%。结论冷热源辅助可以有效减小搅拌摩擦焊接头的残余应力峰值。     

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。     

铝合金氩弧焊与搅拌摩擦焊残余应力对比分析

铝合金材料由于其重量轻、耐腐蚀等优点被广泛应用于石油海洋工程中。铝合金的焊接及焊接接头的性能,备受关注。不同的焊接方法和焊接工艺产生的焊接残余应力对接头的疲劳寿命影响极大。以氩弧焊和搅拌摩擦焊工艺,选用不同的铝合金材料,采用小盲孔法测试焊接残余应力。比较了两种焊接方法、工艺所产生的接头焊接残余应力值,为今后铝合金焊接接头中,疲劳性能的计算提供初步的数据。试验结果表明,在铝合金的氩弧焊和搅拌摩擦焊对接接头中,残余应力的最大值均出现在焊缝中心到热影响区的范围内,随着与焊缝中心距离的增加,残余应力的数值逐渐减小。     

921A舰船钢激光–MAG复合焊接过程数值模拟分析

目的 对厚度为16 mm的921A舰船钢进行激光–MAG复合焊接,得到最佳工艺参数,从数值模拟的角度验证焊接工艺的可靠性。方法 利用SYSWELD+Visual–Environment软件对激光–MAG复合焊接过程进行数值模拟,选用3D高斯热源与双椭球热源相结合的复合热源模型对激光–MAG复合焊接过程进行仿真,绘制不同时刻及不同焊缝区域的时间–温度曲线,采用热弹塑性有限元法对应力变形场进行仿真计算。结果双椭球热源模型与3D高斯热源模型相结合的复合热源模型能够获得较为理想、接近真实热源形貌的热源形态;焊缝区域的焊接热源在行进过程中温度稳定,模拟热源温度可达3 200℃,具有典型的焊接热循环曲线特征,且距离焊缝越远,升温速率和冷却速率越慢;焊接残余应力主要集中在焊缝处,约为440 MPa,且焊缝两端的结合部位具有较高的残余应力。结论 复合热源模型适用于16 mm厚的921A钢激光–MAG复合焊接数值模拟,焊后板材的残余应力低于材料的屈服强度,冷却后板材的变形程度较小,最大变形量为1.13 mm,表明激光–MAG复合焊接方法及工艺适用于16 mm厚921A钢的焊接。     

Q355钢板对接接头裂纹扩展所致焊接残余应力重分布研究

目的 定量研究裂纹扩展导致的焊接残余应力重分布效应,得到残余应力随裂纹扩展的变化规律。方法 首先采用盲孔法测试了Q355钢板对接接头的初始残余应力;其次利用线切割技术模拟了平行以及垂直于焊缝的裂纹扩展情况,并测试了裂纹扩展导致的残余应力变化量;最后根据测试数据提出了残余应力释放量Δσ与裂纹长度a之间的函数关系式,进一步得到了基于裂纹扩展的应力重分布计算公式。结果 Q355钢板对接焊的焊缝区纵向(沿焊缝方向)存在较大的残余拉应力,拉应力峰值出现在焊趾处,为屈服强度的1.13倍。焊缝区横向存在梯度较大、拉压交替变化的残余应力,压应力峰值出现在焊趾处,大小为52.6 MPa,拉应力峰值出现在距焊缝中心线17 mm处,大小为63.5 MPa。裂纹扩展能显著释放残余拉应力:裂纹沿焊缝中心扩展,横向残余拉应力峰值降低了45.8%;裂纹沿垂直于焊缝方向扩展,焊趾处的拉应力峰值降低了63.3%。结论 裂纹扩展会显著影响焊接构件的残余应力分布,根据实测数据提出的裂纹扩展应力重分布计算公式能够较好地反映残余应力重分布情况。     

高速列车用铝合金型材激光-MIG复合焊工艺特性和接头性能

激光-MIG复合焊是实现高速列车铝合金车体优质、高效、低成本焊接制造的理想技术。针对高速列车铝合金车体用的3 mm厚6A01-T5铝合金型材，开展激光-MIG复合焊工艺试验，研究工艺参数对焊缝成形及气孔缺陷的影响规律，分析接头的组织特征、硬度分布、拉伸及疲劳性能。结果表明:在满足焊缝熔透条件下，较小的激光功率、较小的电弧电流或较低的焊接速度有益于减少气孔缺陷;接头组织从焊缝中心到母材依次是等轴晶区、柱状晶区、半熔化区、过时效区和母材区，相比电弧主要作用区，激光主要作用区的等轴晶尺寸更小且半熔化区宽度更窄。接头存在软化现象，焊缝区硬度最低，热影响区宽度约1.5 mm;接头的平均抗拉强度达197.5 MPa，为母材抗拉强度的80.6%，试样断裂于焊缝区，表现为明显的韧性断裂特征;接头的疲劳强度为93.5 MPa，裂纹萌生于焊缝表面的组织疏松处，裂纹扩展区断口呈现明显的韧性断裂和脆性断裂的混合断裂特征。     

低强匹配对接接头焊接残余应力的数值模拟分析

本文采用数值模拟方法,分析了低强匹配对接接头2种拘束条件、5种屈服强度匹配系数的焊接残余应力。结果表明,低强匹配接头焊根处的三向残余拉应力较小,对静载强度影响不大;焊趾处的三向残余拉应力较大,对疲劳强度和冷裂倾向有不利影响。自由状态的纵向残余应力和两端约束状态的横向残余应力,焊缝金属屈服强度每降低25MPa,其残余应力减少约11MPa。     

Study on arc and laser powers in the hybrid welding of AA5754 Al-alloy

In this paper a new generation of fiber laser assisted by a MIG source was used to weld AA5754-H111 aluminum alloy in 3 mm thick butt configuration. The effects of laser and arc powers on the weld geometry and properties were studied. Weld geometry and porosity were measured. The microstructure was investigated by optical microscope and Vickers micro-hardness was taken. The residual stress close to the heat affected zone was measured by the incremental hole-drilling method. Eventually, the tensile test was conducted in order to compare the mechanical properties of the weld with those of the parent metal.For the first time the sensitiveness of the hybrid welding of the 5754 aluminum alloy to the arc and laser powers was demonstrated. Higher laser power favored the stability of the process and provided good structural and geometrical properties of the weld. Further investigation can be performed in order to optimize the weld soundness and the energy efficiency of hybrid welding an aluminum alloy using a fiber laser.     

T型接头旋转激光+GMAW复合焊熔池动态行为数值分析模型

目的 研究T型接头旋转光纤激光+GMAW复合焊熔池的温度场和流态特征,揭示气孔缺陷的产生及抑制机理。方法 依据光学、电磁学、传热学及流体动力学机理,建立T型接头旋转光纤激光+GMAW复合焊熔池数值分析模型。使用Fluent软件对旋转频率分别为50 Hz和100 Hz的T型接头旋转激光+GMAW复合焊进行温度场以及流态特征的模拟,对比不同频率下T型接头横、纵截面,从工艺和焊缝成形角度出发,针对不同频率对熔池、小孔成形以及气孔抑制的影响进行讨论。结果 当旋转频率为50 Hz时,纵截面内小孔最大深度为5.4 mm,横截面熔池内小孔开口直径相对较大,旋转一周后,小孔远离气泡,气泡无法逸出,形成气孔;当旋转频率为100 Hz时,纵截面内小孔深度显著降低,熔池体积明显减小,横截面内小孔最大开口直径和深度均降低,熔池尺寸也有所减小,在时间为0.097 s时,小孔上方区域出现的顺时针涡流不仅能抑制气孔,还能改善熔池的下垂以及立板焊趾处的咬边。结论 随着旋转频率的增大,小孔的最大开口直径和深度均降低,还对熔池具有搅拌作用,使熔池体积变小。     

大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接变形和应力分析

目的 研究大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接,优化结构设计和工艺设计。方法 建立大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接数值分析模型,通过数值模拟的方法,定量分析大厚度奥氏体不锈钢筒体焊接变形和应力。结果 零件下部38 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.2 mm;零件下部60 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为2.0 mm;零件中部60 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.9 mm;零件上部60 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.8 mm。填丝激光焊接轴向收缩量为0.55 mm。焊接残余应力最大值在450 MPa左右,应力主要分布在焊缝附近。热处理后,焊接残余应力都有明显降低,最大残余应力从450 MPa左右降低到200 MPa左右,焊接残余应力范围存在一定程度减小;焊接残余变形变化较小,热处理后某些位置的变形略微有所增大。结论 模拟结果表明,大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接变形和应力在可接受范围内,焊后热处理对释放残余应力有重要作用。     

A transient finite element simulation of the temperature and bead profiles of T-joint laser welds

Laser welding is a high power density welding technology, which has the capability of focusing the beam power to a very small spot diameter. Its characteristics such as high precision and low and concentrated heat input, helps in minimizing the micro-structural modifications, residual stresses and distortions on the welded specimens. In this study, finite element method (FEM) is adopted for predicting the bead geometry in laser welding of 1.6 mm thick AISI304 stainless steel sheets. A three-dimensional finite element model is used to analyze the temperature distribution in a T-joint weld produced by the laser welding process. Temperature-dependent thermal properties of AISI304 stainless steel, effect of latent heat of fusion, and the convective and radiative boundary conditions are included in the model. The heat input to the model is assumed to be a 3D conical Gaussian heat source. The finite element code SYSWELD, along with a few FORTRAN subroutines, is employed to obtain the numerical results. The T-joint welds are made using a Nd:YAG laser having a maximum power of 2 kW in the continuous wave mode. The effect of laser beam power, welding speed and beam incident angle on the weld bead geometry (i.e. depth of penetration and bead width) are investigated. Finally, the shapes of the molten pool predicted by the numerical analysis are compared with the results obtained through the experimentation. The comparison shows that they are in good agreement.     

钛合金薄板激光和钨极氩弧焊残余应力测试研究

采用小孔释放法对钛合金薄板激光焊和钨极氩弧焊(TIG焊)的焊接残余应力进行了测试，并分析了焊接方法、焊接线能量和焊后热处理对残余应力分布规律的影响。研究结果表明：激光焊残余应力分布规律与普通熔焊方法相似，但其分布区域较窄；在热影响区内，激光焊残余拉应力值比TIG焊的约低100MPa；在焊缝及其熔合线附近，激光焊残余应力却比TIG焊的高。对于不同线能量激光焊接，线能量越大，焊缝越宽，热影响区的残余应力也越大。焊后真空热处理能降低残余应力90％。     

Nd:YAG激光与半导体激光复合焊接对铝合金焊缝组织和性能的影响

目的 提高铝合金的焊缝抗拉强度,解决铝合金焊接过程中的裂纹缺陷。方法 采用脉冲Nd:YAG激光与半导体激光复合焊接铝合金,先用Nd:YAG激光形成焊接熔池,然后用半导体激光对熔池进行加热保温,获得无裂纹的焊缝,并对焊缝进行抗拉强度测试。结果 与单独的Nd:YAG激光焊接相比,Nd:YAG激光与半导体激光复合焊接的铝合金焊缝抗拉强度提高了50%,达到193MPa,为母材抗拉强度的90%。结论 2束激光的结合延长了熔池的冷却凝固时间,从而有效避免了热裂纹,减少了焊接缺陷,提高了焊接质量。     

不同焊接参数下CT70连续钢管高频电阻焊残余应力分布的数值模拟

目的研究CT70连续油管高频电阻焊接后的残余应力值和分布规律,以及焊接速度和挤压量等焊接参数对残余应力的影响。方法通过有限元计算的方法施加移动面热源和移动挤压辊,来模拟高频电阻焊的加热和加压过程,并用小孔法测量了高频电阻焊后连续钢管的残余应力值。结果对比计算的和实际的焊缝尺寸,均是内壁处为0.2 mm,壁厚中间部位为0.1 mm,内壁凸起高度为1.0 mm,宽度为2.1 mm,验证了有限元模型的准确性。计算得到的高频电阻焊后在焊缝处的轴向残余应力较大,在400～500MPa之间;环向残余应力较小,在-100～200MPa之间,与小孔法测量的残余应力一致。结论焊缝附近的残余应力主要由不均匀加热引起,远离焊缝处的残余应力主要由挤压引起。热源与挤压辊间距离和焊接速度增加会导致焊缝附近的残余应力增加;挤压量增加和焊接功率增加会导致焊缝附近的残余应力降低。     

Hybrid laser/arc welding of thick high-strength steel in different configurations

In this investigation, hybrid laser/arc welding (HLAW) was employed to join 8-mm-thick high-strength quenched and tempered steel (HSQTS) plates in the butt-and T-joint configurations. The influences of welding parameters, such as laser power, welding speed, stand-off distance (SD) between the arc of gas metal arc welding, and the laser heat source on the weld quality and mechanical properties of joints, were studied to obtain non-porous and crack-free fully-penetrated welds. The weld microstructure, crosssection, and mechanical properties were evaluated by an optical microscope, and microhardness and tensile tests. In addition, a finite element model was developed to investigate the thermal history and molten pool geometry of the HLAW process to join the HSQTS. The numerical study demonstrated that the SD had a paramount role in good synergy between the heat sources and the stability of the keyhole. For the butt-joint configuration, the results showed that, at a higher welding speed (35 mm/s) and optimum SD between the arc and laser, a fully-penetrated sound weld could be achieved. A non-porous weld in the T-joint configuration was obtained at a lower welding speed (10 mm/s). Microstructural evaluations indicated that the formation of residual austenite and the continuous network of martensitic structure along the grain boundary through the heat affected zone were the primary reasons of the softening behavior of this area. This was confirmed by the sharp hardness reduction and failure behavior of the tensile coupons in this area.The full text can be downloaded at https://link.springer.com/article/10.1007/s40436-017-0193-6