基于SYSWELD的T型接头GMAW焊接热过程模拟及其应用

综合考虑GMAW熔滴过渡带入熔池的热焓量、余高以及相变潜热等因素,基于SYSWELD建立了T型接头GMAW焊接传热三维数学模型,并通过系列焊接工艺试验确定了焊接线能量对双椭球热源参数的影响规律。通过计算,获得了不同焊接热输入条件下JB800钢T型接头的焊缝几何参数,得到了焊接工艺条件对焊接热循环及其主要参数的影响规律。基于热过程模拟结果,借助JB800钢SH-CCT图,实现了对CGHAZ区组织、硬度预测和控制。另外,还进行了JB800钢T型接头焊接工艺试验,通过测试焊缝几何尺寸和热循环,并与计算结果比较,验证了模型的可靠性。     

基于视觉传感的GMAW熔透状态预测

熔透信息的实时获取是实现打底焊接自动化的关键环节之一,通过熔池形状特征预测熔透状态可为熔透信息的有效提取提供参考。鉴于焊工通过视觉观察熔池正面形状特征来对熔透状态进行实时判断,建立基于GMAW的双目视觉传感焊接试验系统。在不同焊接电流及焊接速度下开展打底焊接试验,在焊接过程中实时同步采集熔池正面与背面图像。基于熔池图像特点结合成熟的图像处理算法,提取熔池正面二维与三维形状特征参数以及背面熔宽信息,作为训练样本,以熔池正面形状特征参数作为输入量,以背面熔宽作为输出量。通过BP算法对神经网络进行训练,建立熔透状态预测模型,分析熔池正面形状特征参数与背面熔宽之间的映射关系。采用Garson算法计算出每个形状特征参数对于背面熔宽的权重系数。通过GMAW打底焊试验对熔透状态预测模型进行了验证,试验结果表明,建立的BP神经网络模型可以有效地预测焊缝的熔透状态。     

双丝电弧焊熔滴过渡形式对熔池影响模拟研究

双丝电弧焊是一种满足了焊缝质量、焊接效率的高效焊接方法,得到了广泛的应用.采用数值模拟方法,建立双丝电弧焊热源模型,考虑到熔滴在不同的过渡形式下以不同的动量、热量滴入熔池,建立了熔滴热源、动量模型,对焊接过程中影响熔池流动的驱动力进行加载,并且考虑了熔池边界能量的辐射和对流.对熔滴不同过渡形式下的熔池热场与流场进行模拟分析,熔池的流场和温度场.结果表明:熔滴喷射过渡可以得到更大的熔深和熔宽,以及熔宽比,大的深宽比有利于形成高质量的焊缝,提高焊接质量.细滴粒过渡熔池可以得到更高的焊接温度,熔池长度相对较短,热量较为集中,在熔池深度和宽度方向上金属流动更剧烈,有利于将气体以及杂质带至熔池表面并排出.     

基于弧焊温度场正面信息的熔透控制——三维温度场熔透解析模型及验证

应用累积原理和镜像法建立了电弧热源为高斯分布、工件为有限尺寸的三维焊接温度场解析表达式,并介绍了利用这个解析式和获取得正面温度场信息来推断背面熔透的方法,通过试验验证了这个解析模型的有效性,为后续基于正面温度场信息进行背面熔透成形的实时控制打下基础。     

深熔激光焊接熔池温度场的数值模拟

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.利用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,得到了不同焊接速度下的温度场分布云图和"钉头"状的熔池形状.数值模拟结果与试验结果基本吻合.     

双丝焊热源模型

利用经典的双椭球形热源模型进行双丝焊温度场的计算,模拟结果与测量结果的对比表明此模型应用在双丝焊温度场的数值模拟中存在很大误差。通过对双丝焊电弧形态及熔滴过渡路径进行分析,发现双丝焊时前丝和后丝的电弧均向两丝中间偏转,利用此现象解释了模拟结果误差产生的原因。并以此为基础,对双椭球形热源模型进行修正,提出了双丝焊的热源模型,利用提出的模型进行计算得到的结果和测量结果吻合良好。     

TIG焊接温度场的有限元分析

建立了运动电弧作用下三维焊接温度场的计算机数值分析模型,分析中引入了热焓的概念和表面双椭圆分布热源模型,研制了相应的程序,具有较高的计算精度。用该模型对TIG焊接温度场进行了分析计算,得出了TIG焊接熔池的形状,尺寸和热影响区的温度分布。计算结果与试验结果吻合较好。     

快速再制造成形温度场模拟中的热源模型对比研究

介绍了基于快速成形的熔覆快速再制造系统,对成形温度场模拟中的两种热源模型,即高斯热源模型和双椭球热源模型,使用单元生死技术模拟熔覆区动态成形过程,并做了相应的成形试验,采集了温度数据,将两种热源下的温度场数据进行对比.研究结果表明,双椭球热源模型的模拟结果更加接近试验结果.     

金属粉末激光烧结温度场的三维有限元模拟

综合考虑热传导、热辐射和热对流及变热物性参数,基于ANSYS平台建立了连续移动的三维瞬态金属粉末直接激光烧结温度场的有限元模型;利用APDL参数化设计语言实现热源移动,利用焓处理相变潜热的影响,对水雾化铁粉的烧结成型温度场进行了模拟,系统分析了激光熔池的加热和冷却规律及温度场随时间的变化规律。模拟结果表明:随着时间的增加,由于热积累效应使得激光熔池的温度越来越高;彗星状温度云图的最高温度并不在激光光斑中心而是稍微滞后;模拟结果显示烧结过程中将产生液相,这与先前的实验结果吻合较好。     

弧焊机器人熔化及气体保护焊熔池视觉自适应检测

采用新型互补金属氧化物半导体(Complementary metal oxide semiconductor, CMOS)视觉传感器对弧焊机器人熔化及气体保护焊(Gas metal arc welding, GMAW)熔池图像的提取技术进行研究,通过对CMOS视觉传感器的硬件电路改造,实现GMAW熔池图像的自适应采集.首先对触发电路进行改造,实现熔池图像高速采集的可控化.对GMAW脉冲焊不同时刻采集的熔池图像进行比较,定性得到最佳的采集时刻.对硬件控制电路进行改进,实现熔池图像曝光量的可控化.研究GMAW在送丝速度协同控制模式下,不同送丝速度与曝光量的定量关系.通过对硬件控制电路进行改进,实现熔池图像灰度压缩的可控化.比较CMOS视觉传感器工作在不同模式下对GMAW脉冲和短路焊时采集的熔池图像,得出CMOS视觉传感器工作在线性-对数模式下能更好地适应GMAW熔池图像采集.最后综合运用以上3种技术对GMAW脉冲焊和短路焊的熔池图像进行试验,均获得了清晰的熔池图像,为下一步熔池图像处理和焊接质量控制打下了基础.     

Some studies on temperature profiles in AISI 304 stainless steel sheet during laser beam welding using FE simulation

The investigation of transient temperature profiles of a weld joint produced by the laser welding process is presented. A three-dimensional finite element model is developed using a commercial finite element code ANSYS in order to obtain the behavior of temperature field and molten pool shape during the welding process. A three-dimensional conical Gaussian heat source is employed as a heat source model for performing a non-linear transient thermal analysis. The temperature-dependent material properties of AISI 304 stainless steel sheet are taken into account, which has a great influence on the temperature fields indicated by the simulation results. The effect of latent heat and the convective and radiative boundary conditions are also included in the model. A series of laser welds are performed using a 2-kW continuous wave Nd:YAG laser welding system. The experimental trials are conducted by varying the laser input parameters namely beam power, welding speed, and beam incident angle to validate the model. The results show that there is a good agreement between the finite element simulation and the experimental observations.     

铝合金变极性等离子弧焊温度场数值模拟

通过高速摄像对正、负极性等离子弧形态进行分析,并分析变极性等离子电弧正、反极性不同产热机理的基础上,采用“高斯+双椭球”组合热源模型,建立正、反极性期间不同热源模型。采用ANSYS参数化设计语言(ANSYS parametric design language, APDL)编程语言实现与实际变极性焊接参数对应热载荷的循环交替加载,计算出铝合金变极性等离子弧焊接温度场及熔池形状。对比分析不同变极性电流和焊接速度条件下焊接熔池的穿透深度,并通过实际焊接试验验证热源模型的准确性。研究结果为准确掌握铝合金变极性等离子弧热源形态、产热机理和等离子弧力等特性,并合理选择焊接工艺参数提供理论依据。     

铝合金LB-VPPA复合焊接热源模型

激光-变极性等离子弧(Laser beam-variable polarity plasma arc,LB-VPPA)属双高能束新型复合焊接热源。采用Y4-S2型高速摄像检测了LB-VPPA复合焊接热源形态,在理论分析复合热源产热机理的基础上,利用Fortran语言对SYSWELD软件热源模型进行二次开发,建立能够实现正、反极性循环加载的LB-VPPA复合焊接热源模型。经与实际焊接熔池形状对比研究发现,熔池上部采用双椭球体热源,下部采用三维锥体热源,同时在小孔根部植入圆柱体热源的组合式热源模型与实际LB-VPPA复合焊接热源吻合。从模拟6 mm厚7A52铝合金板的VPPA焊和LB-VPPA复合焊接温度场分布结果发现,LB-VPPA复合焊能量更为集中,可以在平焊位置下实现穿孔型焊接。经实际焊接工艺试验验证了上述模拟结果的准确性。因此建立精确的LB-VPPA复合焊接热源模型对开展厚板铝合金LB-VPPA复合高效焊接提供强有力的理论支持。     

球罐环焊缝接头残余应力的三维非线性有限元分析

建立了球罐环焊缝焊接温度场和焊接应力应变场三维移动热源有限元分析模型,考虑了材料的热物理性能和力学性能随温度而变化,应用单元生死技术模拟焊接填充过程,模拟计算出移动热源作用下的温度场,以及以温度场为基础的环焊缝接头焊接应力应变场的分布规律:温度场结果表明,由于焊接的热输入和速度不同,以及热源加载体积不相等,每道焊接的最高温度均不相等。应力场的分析结果表明,在球罐内表面的焊缝及近缝区,呈现双向残余拉应力(经向和周向),而在外表面的对应区域,经向残余应力是压应力,周向残余应力为拉应力。     

激光深熔焊熔池形成过程的数值模拟

建立了用于激光深熔焊数值模拟的新型移动热源模型——圆锥体热源模型,用圆锥体热源模型模拟激光深熔焊时熔池的形成过程。结果显示圆锥体热源模型能够很好地描述能量在试件厚度和试件表面上的传导情况,准确地模拟了熔池的形成过程,得到了与实际焊接很相符的温度场分布。     

Hybrid heat source model designing and parameter prediction on tandem submerged arc welding

In submerged arc welding simulation, the heat source parameters are always decided by experience, and it usually leads to a high simulation error. This work is aimed to develop a methodology for the estimation of the heat source in submerged arc welding. A hybrid heat source model was applied on submerged arc welding simulation. The new heat source model was combined by a surface heat source model and the double ellipsoid heat source model. The surface heat source model was designed based on the Gaussian heat source model. The width and penetration of the weld pool were simulated and compared with the measurement results, and the width at 2?mm depth from the top surface was also considered to describe the shape of the weld pool more accurately. In order to reduce the simulation complexity, the sensitivity of heat source parameters was discussed. The heat source parameter corresponding to different experimental processes was obtained by modified pattern search method. The artificial neural network algorithm and the support vector machine algorithm were applied to predict the relationship between all possible process and the heat source parameters. The validation experiment showed that the prediction model was accurate.     

热-冶金相互作用下焊接温度场的三维动态有限元模拟

焊件在快速加热和冷却过程中温度场的正确描述是焊后接头力学性能分析的前提条件。材料物理性能参数的非线性以及冷却过程中伴随相变产生的相变潜热均会影响温度场的分布。焊接温度场的准确计算必须建立起准确的热传递和相变计算的数学模型以及符合焊接生产实际的物理模型。文中采用Goldak热源分布模型,其表面上热量是按高斯分布的函数,内部是双椭球函数来表示其分布,并应用SYSWELD软件的校正工具根据具体的焊接工艺和条件对热源进行校正;考虑了各相的热物理性能参数及相变潜热与温度的非线性关系,建立了焊接过程的数学模型和物理模型,实现了热-冶金的耦合分析计算,并以低合金结构钢的堆焊为例,对其温度场进行了三维动态模拟。     

激光焊温度场研究进展和展望

介绍激光温度场现有的数学计算模型以及计算方法,并从激光热源模型、材料热物性参数、熔体流动以及温度场测量等方面叙述了激光焊温度场的研究进展,指出了未来应重点研究的几个方向。     

Numerical modeling of heat transfer and fluid flow in hybrid laser–TIG welding of aluminum alloy AA6082

This paper describes a three-dimensional numerical model based on finite volume method to simulate heat transfer and fluid flow in laser–tungsten inert gas (TIG) hybrid welding process. To simplify the model and reduce the calculation time, keyhole dynamics are not considered; instead, a new modified volumetric heat source model is presented for the laser source to take into account the effect of the keyhole on the heat transfer into the workpiece. Due to the presence of arc current, an appropriate electromagnetic model based on the Maxwell equations are also solved to calculate electromagnetic forces in the weld pool. The results of computer simulation, including temperature, current density, electromagnetic, and melted material velocity field, are presented here. Furthermore, several dimensionless numbers are employed to recognize the importance of fluid flow driving forces in the weld pool. It is deduced that the fluid flow has an important effect on the weld pool shape. It is also founded that among the driving forces, Marangoni force is dominant fluid force in the weld pool. Besides, calculated results of hybrid welding process are compared with those of TIG and laser welding processes. The weld pool depth is relatively the same, but the width of the weld pool is highly larger in hybrid welding than lone laser welding. Eventually, the presented model is validated by comparison between calculated and experimental weld pool shape. It is founded that there is a good agreement as the capability of this model can be proved.