Q345E钢焊接热影响区相变的计算机模拟

以Kirkaldy和Koistinen-Marburger相变模型为基础,建立焊接热影响区相变模型。以Q345E钢平板对接焊为例,用Goldak双椭球功率密度分布热源模型计算焊接热循环,用ABAQUS有限元分析软件对焊接过程中的热影响区的相变进行数值模拟。以相同焊接规范进行焊接试验,利用Image-pro-plus软件进行组织测定。将试验结果与模拟结果进行比较分析,二者吻合良好,证明本焊热影响区相变模型可以准确分析焊接热影响区相变情况,对优化焊接工艺参数、改善焊接接头性能、提高焊接产品质量具有重要指导作用。     

烤燃作用下的HMX单晶各向异性力学响应及相变

为研究奥克托今(HMX)单晶的固态相变对变形的影响,在考虑非线弹性和位错理论的晶体塑性本构基础上,发展了考虑温度相关相变的晶体塑性本构(β→δ相变)。利用有限元计算程序ABAQUS和子程序的软件代码VUMAT,模拟了相变在烤燃下的演变过程。结果表明,相变是可逆的,但是路径却不同。当晶体从δ相变为β相时,样品中有残余应力和应变产生。此外,当发生β→δ相变时,会有裂纹产生,并且裂纹不会消失。温度均匀化有利于发生相变,且相变的传播与温度的传播一致。β→δ相变会导致体积的膨胀,且由于δ相的热膨胀系数比β相大,相变后体积膨胀会更快,因此会导致内应力的快速增大,从而启动滑移系。由于HMX单晶的各向异性热膨胀,相变后晶体在第三主方向上更容易生成裂纹,从而容易形成热点,因此β→δ相变会导致HM X晶体在烤燃下更加敏感。     

铝-镁异种合金搅拌摩擦焊的数值模拟

建立铝-镁异种合金搅拌摩擦焊的数值模型.用耦合欧拉-拉格朗日方法对铝-镁合金焊接过程的温度、残余应力、材料流动和焊接缺陷进行预测.结果表明:Al侧的温度、梯度略高于Mg侧.最高温度出现在轴肩热影响区,达626℃.随转速增加,纵向、横向残余应力减小,纵向残余应力明显大于横向,Al侧最大纵向拉伸残余应力达125 MPa,搅拌头偏置对残余应力的影响不明显.另外,材料流动速度对焊接缺陷影响明显,模型准确预测孔洞缺陷的产生.     

基于Johnson-Cook本构模型的高强度装甲钢动态力学性能参数标定及验证

具有高屈服强度的某装甲钢广泛应用于我国装甲车辆。为准确模拟该装甲钢的动态力学行为,开展基于Johnson-Cook（J-C）本构模型的动态本构参数标定及验证。采用万能材料试验机对该装甲钢进行不同温度下的准静态拉伸试验,同时采用分离式霍普金森压杆开展不同应变率下的压缩性能测试。基于实验数据和J-C本构模型,拟合得到该装甲钢的本构参数。基于轻气炮开展泡沫铝弹丸冲击均质梁的实验研究,分别采用J-C本构模型和理想弹塑性模型进行有限元仿真计算,并将冲击实验与数值结果进行对比分析。结果表明：该装甲钢具有应变率强化效应,且温度软化效应显著;采用J-C本构模型仿真的均质梁峰值挠度与试验结果的相对误差为1.7%~6.1%,残余挠度相对误差为0.6%~7.6%。     

AA2195-AZ31B搅拌摩擦焊温度与残余应力场的数值模拟

针对AA2195铝锂合金和AZ31B镁合金,基于耦合欧拉拉格朗日（coupled eulerian-lagrangian,CEL）方法,结合有限元分析软件Abaqus,建立了搅拌摩擦焊对接过程的有限元模型。同时,对焊接过程中的动态温度场及焊后残余应力场的分布进行了研究。结果表明：焊缝区域应力以纵向应力为主,最大残余应力在AA2195铝锂合金侧。垂直于焊缝的截面纵向应力呈“M”形分布,最大值约为220 MPa,双峰之间存在倒“V”形。焊接过程中温度变化趋势与应力循环曲线负相关。此外,针对2 mm厚的AA2195铝锂合金和AZ31B镁合金板材进行了搅拌摩擦焊试验,用盲孔法对焊后残余应力进行测试,验证了模型的准确性。     

搅拌摩擦焊接中材料变形及残余应力分析

采用数值模拟手段,分析了在搅拌摩擦焊接过程中不同材料的变形情况及其残余应力的分布,研究了材料变形与残余应力之间的关系,并建立了异种金属搅拌摩擦焊接的模型。研究结果表明,搅拌摩擦焊接过程中材料的流动主要集中在焊接构件的后退侧,且在搅拌摩擦焊接过程中铝合金较钢表现出更好的流动性能。残余应力分布呈现典型的双峰特征,残余应力的最大值发生在热影响区的边界。拉伸残余应力较大的区域与等效塑性应变较大的区域具有较好的对应关系。异种金属焊接会增大焊接构件搅拌区内较软材料一侧的残余应力。     

一种自紧厚壁圆筒非线性混合硬化模型及残余应力分析

为准确地计算自紧身管强度及疲劳寿命,建立一种能反映其非线性应力与应变关系和包辛格效应等性能的材料本构模型,用以提高残余应力计算精度。基于非线性随动硬化模型,建立一种适用于表征自紧身管力学性能的非线性混合硬化模型,通过数值计算可获得残余应力分布情况;为提高数值计算的收敛速度,结合所建立的材料本构模型和各参量间的弹塑性关系,推导了与本构模型密切相关的一致切线刚度矩阵;为验证该本构模型的正确性,综合运用拉压试验和优化算法确定材料参数,进行了自紧身管残余应力有限元数值计算及分析。结果表明：数值计算的残余应力分布曲线与试验数据基本吻合;建立的炮钢本构关系模型能真实反映自紧厚壁圆筒的残余应力分布情况。     

不同残余应力场中静载压痕周围的塑性区问题

压痕应变法由于其测试的方便性和准确性而受到越来越多的重视。该方法通过测量压痕周围弹性区应变增量,利用事先获得的应力应变关系求出残余应力大小。因而如何准确确定不同状态下压痕周围塑性区的尺寸对该方法具有重要意义。采用有限元模拟方法对不同应力场状态下,静载方法制造的压痕周围塑性区大小进行分析。发现在单向应力场中,当应力数值从最大压缩变化到最大拉伸时,沿受力方向的塑性区尺寸逐渐减小而垂直受力方向的尺寸逐渐增大。在双向应力场中,塑性区的变化规律比较复杂,但最大尺寸均小于最大拉伸。在研究不同应力场作用下压入载荷撤离前后塑性区的变化时发现,卸载回弹造成的塑性区尺寸变化不明显。本研究结果为确定压痕应变法测量残余应力时的应变栅位置提供依据。     

AZ31B镁合金双弧焊接温度场及残余应力有限元分析

为获取AZ31B镁合金薄板非熔化极气体保护双弧焊(double-electrode gas metal arc welding,DE-GMAW)焊接残余应力场分布,用ANSYS软件对焊接过程进行数值模拟,探索焊前预热对镁合金残余应力的影响规律。建立双弧热源模型,通过热应力耦合法,先计算焊接温度场进而计算应力场。获得焊件残余应力的分布规律,沿着焊缝纵向残余应力最大值约为41 MPa,焊缝两端即起弧和熄弧处受较大横向压应力作用,最大值达55.6 MPa;采用盲孔法进行试验测量,测量结果与模拟结果一致。通过实测数据与模拟结果分析,表明镁合金DE-GMAW焊接残余应力的分布特点;镁合金焊前预热温度为100℃时,能够有效降低焊件的残余应力。     

TC4钛合金动态本构模型与高速切削有限元模拟

利用SHPB实验装置,测试TC4钛合金在20～600℃、应变率为103～104s-1下的流动应力和应变的关系,应用自适应遗传算法(GA)优化建立适合高速切削模拟的Johnson-Cook(JC)热粘塑性本构模型,该模型可在较高温度和较宽应变率范围内精确预测TC4的流动应力。以所建的Johnson-Cook模型为材料本构模型,应用大型商用有限元软件ABAQUS,并使用切屑分离准则,建立高速正交切削有限元模型。将模拟结果与高速正交车削的实验数据进行比较,证实本构模型和有限元模拟的正确性。     

707(A)铁素体药芯焊丝在薄装甲钢上的焊接试验

０７（Ａ）铁素体药芯焊丝与Ａ１４７奥氏体焊条在实验条件下焊接６１６装甲钢的对比试验表明，７０７（Ａ）铁素体药芯焊丝焊接６１６装甲钢时具有较高的抗裂纹能力，焊接接头的横向拉伸强度、常温及－４０℃时低温冲击功等力学性能优于奥氏体焊条。实验表明，７０７（Ａ）药芯焊丝可以在工况条件下进行６１６装甲钢构件的焊接试生产     

T-250钢薄壁圆筒环缝电子束焊接数值模拟

利用ANSYS软件采用三维锥体热源模型对T-250钢薄壁圆筒环缝电子束焊接进行数值模拟。结果表明,三维锥体热源模型适合于电子束焊接的数值模拟,由此得出的温度场分布与实际焊接情况吻合良好。残余应力在距焊缝中心轴向4 mm区域内会发生突变或者达到最大值。这个区域正好对应实际焊接的焊缝区和热影响区,说明数值模拟与实际焊接有较好的对应性。     

喷丸对2219铝合金TIG焊接残余应力的影响

用不同喷丸参数对2219-T8铝合金TIG焊接接头进行强化处理。用X射线衍射仪(XRD)、盲孔应力仪(MTS3000)检测试样喷丸前后残余应力场。结果表明:喷丸处理前,垂直于焊缝的横截面,纵向应力呈不规则"几"字型分布,表现为焊缝附近区域存在较大残余拉应力,远离焊缝的母材区接近零应力状态,随试样厚度增大,残余应力峰值增大;喷丸处理后,垂直于焊缝的横截面表面应力呈不规则"V"型分布,表现为焊缝附近区域产生较大残余压应力。在相同丸径情况下,玻璃丸较钢丸表面压应力更大。喷丸处理后,焊缝内部有限范围内压应力呈不规则"S"型分布。对相同材质弹丸,随弹丸直径增大,压应力层深度逐渐增大。在相同丸径下,钢丸较玻璃丸压应力层和峰值更大,且随钢丸直径增大,残余压应力峰值所在位置逐渐内移,其值逐渐增大。     

钢桥面板U肋焊接处残余应力影响因素

以某跨海大桥钢桥面板U肋为研究对象,用ProCAST软件对钢材焊点残余应力进行计算机模拟,在冷却条件和稳态条件下,计算顶板与U肋间的纵向残余应力,改变顶板厚度、顶板宽度、焊件长度、U肋高度、坡口角,分析不同因素对残余应力的影响。结果表明:在稳态条件下,顶板宽度、U肋高度和坡口角对钢材U肋焊接处的残余压应力影响显著,而顶板厚度和焊件长度对焊接处残余压应力影响不明显。因此用顶板上缘和U肋内侧计算钢材残余应力是最优方案。     

不锈钢薄板高速高功率激光对接焊模拟分析

为了优化高速高功率激光焊的焊接工艺,需要准确预测焊接过程中温度场和应力场的变化;首先通过不锈钢薄板对接焊实验校核了组合热源模型,然后利用 Simufact Welding 软件对焊接材料的温度场和等效应力分布进行了数值模拟;结果表明：实验焊缝截面形状与仿真计算结果吻合良好;激光热源前半部分温度梯度较大,后半部分温度梯度小;焊接过程中热输入量越大,冷却后焊缝区域的残余应力越大;在金属熔化作用下,焊缝区域的等效应力先增加后减小再增加;在保证焊接性能的前提下,通过减小激光功率或增加焊接速度,可以减小焊接变形和出现裂纹的可能性。     

连续油管钢带斜焊温度场及残余应力场数值模拟

采用有限单元法,模拟连续油管钢带斜焊及形变热处理过程中温度场和残余应力场的分布情况。结果表明:在焊接过程中焊缝附近温度梯度很大,远离焊缝的地方温度梯度渐渐趋于平缓;随着焊接热源的移动,温度中心也随之移动,最高温度可达母材的熔点,能量集中在很小的范围内,造成高度集中的瞬时热输入。焊后残余应力主要集中在焊缝附近,最大应力值为432 MPa;形变热处理之后残余应力集中分布在热处理区域的边界,最大应力值为431 MPa。对比发现形变热处理并不能减小或消除焊接残余应力,只能使残余应力重新分配,远离焊缝附近,使该位置的材料趋于安全。     

50CrV钢激光填丝焊焊缝成形多元非线性回归模型

在焊接50CrV薄板时,焊缝熔深要求控制在2 mm.为获得特定要求的熔深,基于响应面设计方法,采用实验设计软件Design-Expert 8.0对50CrV钢激光填丝焊焊接工艺进行了实验设计。实验过程中,以特定的焊缝熔深(2 mm)、最小化熔宽及余高为响应;以激光功率、焊接速度、送丝速度与离焦量作为控制变量,测量描述焊缝特征的响应数据,并建立其与焊接参数之间相关性的数学模型,通过方差检验确定了所建立的数学模型准确性。模型分析结果表明：激光功率、焊接速度、送丝速度与离焦量4个主因素对焊缝成形有直接的影响;根据优化结果得到最佳焊接条件,激光功率3.17～3.33 kW,焊接速度1.30～1.40 m/min,送丝速度4.0～4.23 m/min,离焦量3.1～4.5 mm,此时可获得满足焊接要求的熔深、熔宽和余高;实验验证了预测结果与实际焊接结果相一致,可用于指导实际生产。     

焊接残余应力的测试及研究

依据应力测量的基本理论,采用LabView语言编程自行设计制备了焊接残余应力测量系统。对45号钢和22SiMn2TiB钢焊缝的焊趾处进行超声冲击处理,并测量处理前、后的残余应力。结果表明,超声冲击处理能够将焊接残余拉应力转变为压应力,45号钢和22SiMn2TiB钢处理前、后的纵向残余应力均值为169、-63、296、-49MPa,下降率分别为137%和117%。     

焊趾TIG熔修跟随超声冲击处理对焊接接头残余应力及疲劳强度的影响

采用焊趾TIG熔修跟随超声冲击处理工艺对SMA490BW钢超微弧焊接头进行处理,对超声冲击前后焊趾熔修区残余应力以及接头4点弯曲疲劳性能进行研究。结果表明:超声冲击后,焊趾熔修区残余应力由拉应力转变为对疲劳强度有利的双向压应力,纵向与横向残余应力平均消除率分别达到116%和158%;超声冲击通过增大焊趾角与焊趾半径,使焊趾熔修区应力集中程度降低22%;超声冲击可使接头疲劳强度提高70%。     

焊接工艺参数对A-TIG焊的焊缝成形影响

研究了奥氏体不锈钢A-TIG焊和普通TIG焊在焊接工艺参数不同时对其焊缝成形的影响。试验结果表明;在相同的焊接工艺参数下,与普通TIG焊相比,涂活性化焊剂的A-TIG焊的焊缝熔深有显著增加,而熔宽明显减少;在涂敷的活性化焊剂成分和涂层厚度相同时,与普通TIG焊一样,A-TIG焊的焊缝熔深也是随焊接电流的增加或焊接速度的减少而增大的。