激光焊接铝合金材料过程的建模与仿真

在试验基础上,利用有限元软件ANSYS对3A21铝合金材料激光焊接温度场进行了动态模拟。通过对激光焊接非线性瞬态过程的分析,分析与温度场有关的潜热、热传导、对流、辐射等材料热物理属性,建立了激光焊接的移动热源模型。仿真结果表明:激光焊接薄板铝合金的温度场梯度大,热影响区小;温度场中各点温度呈指数式升高和衰减;焊缝和近焊缝区温度升降急剧,焊缝宽度的仿真结果与试验结果相一致,从而验证了所建立的移动热源模型在激光焊接铝合金薄板温度场模拟中的适用性,在一定程度上揭示了激光焊接的成型机理。     

激光焊接圆锥体热源模型及参数研究

激光焊过程中包含了一系列复杂的物理、化学反应现象.为合理描述激光焊温度场,采用圆锥体热源模型,用有限元分析软件ANSYS对激光焊温度场进行计算模拟,得到相应的温度场分布及焊缝熔深、熔宽.计算结果表明,所用圆锥体热源模型能较好符合试验结果,有效反映实际激光焊过程.同时根据试验测得的焊缝形状,结合数值模拟,用反演方法给出了模型参数的计算公式.该公式可以实现一定焊接工艺条件下确定激光焊接圆锥体热源模型的参数,并方便进行激光焊温度场模拟和焊缝宽度的预测.     

激光透射焊接聚碳酸酯温度场模拟与分析

以聚碳酸酯(PC)为研究对象,利用ANSYS的APDL语言构建了三维瞬态有限元模型,分别采用体热源模型和面热源模型研究了不同功率下的焊接温度场,得到了三维温度场分布,并将模拟结果进行对比。结果表明,面热源下温度场在两试件中呈对称分布,最高温度位置在焊缝中心;体热源时吸收试件热影响区大于透过试件的,最高温度位置在焊缝下方吸收试件中。应用半导体激光器进行了透射焊接试验,对试验结果和仿真模拟结果进行了对比与分析,体热源模型得到的焊缝热影响区形貌与试验热影响区形貌较为接近。并且采用体热源加载方式对w(炭黑)0.1%和w(炭黑)0.15%的温度场进行了研究,得出炭黑含量对焊缝形貌和最高温度以及其位置都有影响。     

激光+GMAW复合热源焊接过程热-力耦合数值分析

从宏观的焊接热过程出发,根据激光+GMAW复合热源焊接的特点,提出了适用于复合热源焊接的“双椭球体＋峰值递增圆柱体”组合式体积热源分布模式;建立了激光+GMAW复合热源焊接过程的有限元模型,数值计算了焊接温度场和焊缝横截面的形状尺寸,计算结果与试验结果吻合良好,证明了组合式体积热源模型的合理性和适用性. 采用焊接温度场的计算结果,进一步对复合热源焊接和GMAW的焊接变形和残余应力进行了数值模拟和对比分析. 结果表明,在焊缝熔深基本相同的情况下,复合热源焊接的焊接热输入、焊缝熔宽、焊接变形和高应力区域范围等均比GMAW小. 研究结果印证了激光+GMAW复合热源焊接工艺的优越性,并为焊接工艺参数的优化提供了基础理论数据.     

小功率脉冲激光模具修复温度场数值模拟

利用建立的高斯面热源与旋转体热源复合热源模型,在MSC·Marc有限元分析软件中分析计算小功率脉冲激光焊接修复模具中的焊接热过程。提取有限元模拟结果中焊接起始焊接位置与焊接路径中间位置的温度场数据,与实际试验利用热电偶配合红外线测温仪测量结果对比分析。有限元模拟软件计算结果与红外线温度传感器测量的实际焊接过程温度场,以及焊缝截面金相照片对比验证相近。建立的复合热源模型可有效描述小功率脉冲激光焊接修复模具过程中的热传导过程,可为小功率脉冲激光焊接在修复模具过程的热传导分析提供数据分析,提高小功率脉冲激光焊接修复模具的质量和使用寿命。     

基于CuSi3焊丝的镀锌钢板激光钎焊温度场及接头组织分析

采用焊接试验与焊接数值仿真相结合的方法对镀锌钢板CuSi3焊丝激光钎焊焊接温度场进行研究,使用高斯面热源和旋转高斯体热模型构成的组合热源模型对温度场数值模型进行计算,根据试验和数值计算结果分析激光钎焊过程中焊接线能量对接头显微组织及温度场分布的影响规律。焊接接头母材区主要为尺寸均匀的细密等轴晶,而焊接热影响区主要为垂直于温度场等温线并朝向热源方向生长的柱状晶,柱状晶的宽度随着靠近热源在不断生长;随着焊接线能量的提升,焊接接头截面的钎缝深宽比也展现出增大的规律;表面焊缝中心温度场分布梯度较小,焊接线能量对焊缝中心峰值温度影响不大;焊缝边缘贴近母材区域温度在四种试验参数下均高于锌镀层沸点,从而导致焊接试件表面产生气孔。     

不锈钢激光焊温度场的建模与仿真

利用有限元软件ANSYS对304不锈钢激光焊温度场的分布进行了动态模拟.分析了材料热物理参数的温度相关性、熔化潜热、对流及辐射对激光焊接温度场的影响,建立了激光焊接组合体移动热源模型.针对激光焊接过程中高度非线性、光斑面积非常小的特点,采用了过渡单元建模及逐步加载和求解的措施.为了保证节点选取的精确程度,在加载过程中采用了余量控制法.仿真结果表明,模拟得到的焊缝形状与实际焊缝形状基本吻合;等温线呈椭圆形,在移动热源的前方等温线密集,温度梯度较大,热源后方的等温线较稀疏,温度梯度小;激光焊接时熔池表面附近的金属蒸气最高温度可达13 332℃.     

基于体热源的激光透射焊接聚碳酸酯温度场模拟

在激光透射焊接理论的基础上,对聚碳酸酯(PC)的激光透射焊接进行了深入研究。应用Ansys的APDL语言构建了基于体热源的三维瞬态有限元模型,采用该模型对PC的激光透射焊接温度场进行了模拟,得到了三维温度场分布,并从X,Y,Z三个方向上分析了热影响区的温度变化规律。结果表明,X方向上,焊缝中心处各点时间温度历程规律基本一致,只是最大温度出现的时间不同;Y方向上,随着与焊缝中心距离增加温度降低;Z方向上,最大温度位于焊缝下方,且向两侧逐渐降低。应用半导体激光器进行了透射焊接试验,对试验结果和仿真模拟结果进行了对比与分析,结果显示模拟与试验结果相吻合。     

X80管线钢激光电弧复合焊接数值分析

根据激光电弧复合热源焊接的物理特征,建立双椭球体热源焊接模型。使用ANSYS有限元分析软件对X80管线钢激光电弧复合焊接的温度场和应力场进行耦合分析,在此基础上对10 mm厚X80管线钢进行对接焊试验,并对比分析数值计算结果和实际焊接试验结果。结果表明,数值仿真得到的焊缝截面形状、焊缝尺寸以及试件残余应力与焊接试验所得结果吻合,验证了选用热源模型的适用性,为焊缝组织和性能的预测奠定了基础。     

窄间隙坡口激光-MAG复合焊温度场数值模拟

采用激光电弧复合焊焊接窄间隙坡口钢板,坡口会影响激光光致等离子体及电弧形态,从而改变能量密度分布。采用数值模拟手段,综合考虑激光与电弧的相互作用以及窄间隙坡口对等离子体及电弧的压缩作用,建立激光-MAG复合堆焊热源模型和适用于窄间隙坡口的激光-MAG复合焊接热源模型,并分别进行堆焊和窄间隙坡口对接焊的温度场数值模拟。结果表明,两种热源模型的模拟所得焊缝形状与实际焊接焊缝熔合线相符性良好,熔宽、熔深相近,窄间隙坡口对温度场分布有重要影响。