薄板长直结构激光-电弧复合焊条件下焊接变形数值模拟

基于通用有限元软件MSC. Marc开发了考虑材料非线性、几何非线性和边界非线性的热-弹-塑性有限元计算方法来模拟薄板长直结构的焊接变形。采用所开发的数值模拟方法,计算了含有两条焊缝的薄板长直焊接结构在激光-电弧复合焊接条件下的焊接变形,并研究了焊接顺序、焊接热输入和两条焊缝的热输入比对焊接变形的影响。数值模拟结果表明：在本研究所采用的拘束条件下,焊接顺序对焊接变形有显著影响;对于非对称焊接结构,先焊局部刚度较大焊缝产生的焊接变形相对要小些;在两条焊缝热输入相同的情况下,焊接结构的变形大小与焊接热输入大小呈现正相关关系;两条焊缝的热输入比对于非对称结构的焊接变形也有较大的影响。     

激光冲击强化残余应力的数值模拟研究

为了获得激光冲击强化诱导的残余应力场,采用数值模拟的方法,建立了单次激光冲击强化35CD4合金钢厚板2维轴对称有限元模型,对激光冲击过程中材料内部的能量变化、表面动态应力进行了分析,验证了显式动态求解时间选取的合理性,并讨论了模型网格单元尺寸、冲击压力空间分布模型选取对残余应力模拟结果的影响。结果表明,为了得到收敛的模拟结果,选用的网格单元尺寸应为0.03mm左右。单次圆斑激光冲击的残余应力计算结果与已知的实验测量结果吻合得较好。     

激光熔凝加工中瞬时温度场及残余应力数值模拟

以激光熔凝表面强韧化处理为背景,应用空间弹塑性有限单元和高精度数值算法同时考虑材料组织性能的变化模拟工件的温度场及残余应力,研究激光熔凝加工中瞬时温度场及残余应力数值模拟,同时考虑相变潜热及相变塑性的影响,用算例验证了模型的正确性,给出了不同时刻温度场分布及残余应力分布。     

激光喷丸成形中的残余应力

通过对激光喷丸成形(LPF)中残余应力场分布的研究,找出单点喷丸残余应力分布形式,以及单点多次、多点不同路径喷丸中后续冲击对前次冲击残余应力分布的影响规律。对准确控制残余应力分布,获得激光喷丸后所需的板料形状具有指导意义。利用钕玻璃高功率脉冲激光对厚度为1.2 mm的LY12CZ硬铝合金进行了单点激光喷丸,用X衍射应力测定仪考察了单点冲击后材料表面及深度方向的残余应力,用厚度为2 mm 的6061-T6铝合金板料进行三列窄条激光喷丸变形实验。以ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件为平台,建立了具有一定精度的激光喷丸过程中冲击波压力的加载模型,对板料的变形过程进行了数值模拟, 分别考察了不同激光能量,板料尺寸,冲击路径等工艺参数对残余应力场分布的影响。实验结合数值模拟探索激光喷丸的主要参数和残余应力场之间的相互关系。     

金属复合板激光弯曲过程中翘曲变形数值模拟

翘曲变形是影响复合板激光弯曲成形精度的重要因素。基于ANSYS软件和电子探针面扫描实验,建立了含结合面的不锈钢-碳钢复合板激光弯曲有限元模型,对一次扫描过程中产生的翘曲变形进行数值模拟。通过模拟激光作用下复合板的温度场、应力场及残余应力分布,结合自由端的变形,分析了翘曲变形产生的过程及原因。模拟结果表明:激光扫描过程中,受初始温度及边界效应的影响,扫描线上各点最高温度分布的不均匀百分比为18.33%。经0.2 s热传导及热量散失的共同作用后,扫描线中间区域出现热累积现象,热应力增大,产生了翘曲变形。对扫描线到自由端整体区域进行残余应力模拟分析可知,板材在其区域内部产生了翘曲作用力与区域周边约束反作用力,其大小和方向与翘曲的变形吻合。对比实验数据和模拟结果,翘曲线最大误差为3.90%,其中,弦高误差为3.33%,为复合板激光弯曲成形的角度控制提供了计算依据。     

中厚板铝合金激光-MIG复合焊过程应力与变形研究

采用ANSYS对中厚板铝合金的激光-MIG复合焊接过程进行数值模拟,分析激光-MIG复合焊接过程中温度场、残余应力及焊接变形的分布情况。结果发现,由于工件表面与内部的散热速度差异,温度场呈现中间高、周围低、以焊缝为中轴线的椭圆形分布。随着焊接的进行,工件的等效应力在不断增大,焊接过程中工件两侧出现>300 MPa的高应力区;随着工件的冷却,工件两侧刚性固定面的应力集中开始不断消退,且高应力区在工件冷却后消失。工件完全冷却后,高应力区域主要集中分布在焊缝周围,最高值可达175 MPa,工件两侧应力分布较为均匀,在125～130 MPa范围内。焊后工件总变形呈现以焊缝为中轴线的椭圆形分布,焊缝两侧单位变形量最高可达0.19,焊缝部位单位变形量为0.09。     

激光喷丸强化变形镁合金的疲劳寿命数值分析

以ABAQUS和MSC.fatigue软件为平台, 建立了激光喷丸强化前后试样疲劳寿命及薄弱位置预测的有限元分析模型。为研究材料强度对激光喷丸强化效果的影响, 以AZ31B和ZK60两种不同强度变形镁合金为对象, 对激光喷丸强化后的残余应力和塑性变形进行了分析, 并预测了喷丸前后的疲劳寿命, 两种材料的疲劳寿命增益分别为112.04%和181.2%。结果表明, 高强度材料激光喷丸强化效果优于低强度材料。     

扫描路径对激光修复钛合金残余应力与变形的影响

为降低激光沉积修复钛合金基体的残余应力与变形,采用有限元参数化设计语言研究了不同激光扫描路径对修复基体残余应力与变形的影响,模拟了不同扫描路径下修复基体残余应力及不同修复层残余应力的分布情况,并对原因进行了分析。结果表明:不同扫描路径下基体两端残余应力值较大,修复层残余应力值两端高,中间低,采用层间交错扫描路径时,各修复层残余应力值大小和波动幅度降低,修复件表面平整度值最小。采用压痕法对不同扫描方式下修复件表面残余应力进行了测定,得到了不同扫描路径下基体变形曲线,并与模拟结果进行了比较,两者吻合较好,为提高激光修复质量提供了参考依据。     

激光冲击诱导残余应力预测方法研究

研究基于激光冲击诱导残余应力产生原理,把激光冲击诱导的最终稳定的残余应力看成激光冲击引起的残余应力与为满足平衡而产生的残余应力的代数和,提出了残余应力预测方法.通过激光冲击平板件的残余应力预测发现,模拟结果与实验结果十分接近.说明此方法可实现对工件全尺寸的残余应力预测,为后续的分析提供了条件.另外,对激光冲击处理圆角试样产生的残余应力进行了模拟研究,发现工件的形状对最终稳定的残余应力的分布存在影响,表现为表面应力值和残余压应力的深度发生了变化.说明此方法可能实现激光冲击处理任意形状工件的残余应力预测.     

激光电弧复合焊接AZ31B镁合金

采用激光束与电弧复合焊接AZ31B镁合金，研究了这种复合热源对焊接熔深、表面成型的影响，探索了激光-电弧不同复合方式对焊接过程中电弧稳定性的影响。结果表明，激光束与焊接电弧共同组成的复合热源在正向焊接镁合金时形成的焊接熔深，比单独采用钨极氩弧焊(TIG)焊接增加了1倍左右，同时复合热源焊接电弧稳定性也较钨极氩弧焊接提高了1倍以上，是一种理想的镁合金焊接方法；而当激光-电弧复合热源反向焊接时，电弧稳定性较正向焊接进一步增大。对复合热源的电弧稳定性和激光吸引电弧的现象以及熔深增加的机理进行了讨论。     

激光-CO2气保复合焊的焊接过程稳定性研究

研究了激光-CO2气保复合焊的稳定性问题.首先通过平均熔滴过渡时间t和表征熔滴波动的样本方差S两个统计量界定了焊接过程稳定性.其次在此基础上标定了焊接过程稳定区,通过分析得到了光丝间距为1mm时过程稳定的焊接参数范围最大.实验表明,在焊接过程不稳定时可通过调整电压1～2V改善工艺适应性.     

激光-电弧复合焊接工艺参量的研究进展

激光-电弧复合焊接足近几年在国际上得到迅速发展和廊用的焊接前沿新技术,是材料优质高效连接的最佳熔焊工艺.激光-电弧复合焊接结合了激光焊和电弧焊两种工艺,影响焊接过程的参量较多,而这些因素的设置对焊接过程的稳定性、焊接接头的质量都有重要影响.从激光器类型的选择、辅助电源类型的选择、焊接方向、激光离焦量、激光-电弧之间距离...     

激光重熔路径对再制造涂层残余应力及表面质量的影响

为进一步提高再制造合金层表面质量,提升其综合力学性能,通过数值模拟与试验相结合的方式,研究激光重熔路径对熔覆层残余应力及表面质量的影响机理。首先,基于Simufact Welding软件平台分别建立了激光熔覆及三种不同扫描路径下的重熔模型,仿真研究重熔过程温度场及应力场变化规律。然后,进行了激光重熔工艺试验,通过X射线残余应力检测仪、基恩士超景深显微镜对再制造合金层的残余应力及表面形貌进行检测分析。仿真结果表明,重熔过程中工件表面各点的温度梯度比熔覆过程有明显的降低,重熔前工件最大残余应力为269.59 MPa,经激光重熔后,工件的残余应力得到明显的降低,且L1型重熔路径下工件的残余应力值最小,仅为重熔前应力值的1/2左右。残余应力试验结果与仿真计算数值偏差在10%以内,证明了仿真计算的准确性。通过对合金层的表面形貌进行三维提取发现,激光重熔能有效降低熔覆层表面粗糙度。     

材料表面形貌对激光冲击强化残余应力的影响

建立材料表面为凹面、凸面和平面的三种有限元模型,研究材料表面形貌对激光冲击强化Ti6Al4V钛合金残余应力的影响。当材料表面曲率半径大于光斑半径时,相对于材料表面为平面的工况,凹面表层产生的残余压应力偏大,并随着凹面曲率半径的减小而增大;凸面表层产生的残余压应力偏小,并随着凸面曲率半径的减小而减小。当材料表面曲率半径小于光斑半径时,凹面或凸面模型的激光冲击强化的残余压应力均不及于材料表面为平面的工况。     

逐层剥离对激光诱导残余应力场影响的数值模拟

为评价激光冲击强化效果,通常采用X射线衍射法(XRD)测定工件的残余应力分布。由于X射线穿透深度一般在微米数量级,为获得工件深度方向上的残余应力分布规律,常采用电解抛光的方法逐层剥离工件表面材料。逐层剥离过程改变了工件表面的边界条件,使得残余应力分布发生了改变,导致XRD实验测得的残余应力与未剥离前不同。本文采用有限元数值模拟方法研究了剥离过程对激光诱导残余应力场分布的影响。结果表明:在残余压应力区域,剥离材料后内部的残余压应力较剥离前增大,残余压应力增加程度随着剥离深度的增大而增加;剥离表面较浅一层材料时,整体残余应力场的分布变化较小,且有利于消除激光冲击强化产生的"残余应力洞"。该研究对基于XRD实验测定的残余应力修正具有一定的指导意义。     

增减材复合加工零件残余应力和变形研究

为了改善增减材复合加工零件的残余应力和扭曲变形,提高零件的加工精度和表面质量,开发了一种基于Simu-fact Welding有限元软件的仿真方法.利用Simufact Welding软件,模拟了激光增材过程中,激光功率、扫描速度和光斑直径对整个零件残余应力分布的影响.利用X射线应力测定仪,测定了增减材复合加工零件内外...     

选区顺序对激光直接制造TC4残余应力及变形的影响

为降低激光直接制造大型TC4构件的基底变形及残余应力,研究了不同选区顺序对分区扫描成形时基底变形及残余应力的影响。分别采用新定义的由外而内、由内而外选区顺序及常规的随机选区顺序进行沉积实验,并运用面结构光及X射线衍射检测方法对基底变形及沉积层残余应力进行测量。结果表明:不同选区顺序对成形件基底变形及残余应力影响显著,采用由外而内选区顺序可大幅减小基底变形,与随机选区顺序相比,基底最大变形量降低60%,但是在沉积层引入了较大的残余应力,最大残余应力达到了392 MPa;随机选区顺序下沉积层残余应力量级较小,最大残余应力仅约93 MPa,残余应力分布更为均匀。因此,分别采用由外而内及随机选区顺序进行前后期成形有利于减小和平衡大尺寸TC4成形件基底变形及残余应力。     

CO2激光-MAG电弧复合焊电弧能量对熔滴过渡特征和焊缝形貌的影响

以5.0 mm厚高强钢板为试验材料,采用CO2激光-MAG电弧复合焊接方法,研究电弧电压与焊接电流的大小对复合焊接熔滴过渡特征、工艺稳定性和焊缝形貌的影响.结果表明,在激光功率P=1.6 kW、焊接速度v=1.2 m/min的情况下:当电弧电压U=26 V、焊接电流I＜180 A时或焊接电流I=180 A、电弧电压U＜...