焊接过程三维应力变形数值模拟研究进展

焊接非平衡加热、冷却过程导致产生焊接应力与变形,严重影响焊接过程及结构的服役行为,是焊接结构生产制造过程中必须解决的关键技术问题之一。作者对目前国内外焊接过程中焊接应力与变形的数值模拟研究及工程应用进行了分析。结合研究小组的研究工作,对大型复杂结构焊接过程中三维焊接应力变形数值模拟存在的困难、需要解决的主要技术问题进行了评述,并介绍了几个工程应用实例。     

薄壁低碳钢管焊接变形的数值模拟

基于泛用软件ABAQUS,开发了适用于模拟熔化焊产生的温度场、应力场和应变场的热弹塑性非线性有限元计算方法.通过建立三维有限元模型和采用双椭球高斯体积移动热源,对低碳钢薄壁钢管的焊接温度场和焊接变形进行了数值模拟.同时还采用焊接机器人实际进行了低碳钢薄壁钢管的焊接,并实测了钢管的焊接变形.结果表明.数值模拟得到的变形和...     

焊接顺序对底板结构变形影响的数值研究

利用非线性有限元方法,分别对单、双、三、四个筋板的底板结构的焊接变形进行了数值模拟分析.采用8节点六面体单元建立了疏密过渡的有限元模型,使用随温度变化的材料热-力参量,运用了精度较高的双椭球热源模型以及生死单元的方法,模拟得到了不同焊接顺序下多筋板底板结构焊接横向变形情况,并对结果进行了分析.结果表明,对上述四种结构,每个筋板两侧的焊缝采用先焊接一侧再焊另一侧的方法,与传统的双面角焊缝同时焊接的方法相比,可以减小横向收缩量8％左右;每个筋板两侧采用反向焊接比同向焊接的方法横向变形也有所降低;所有筋板的相同侧同时焊接可以明显减小底板的横向收缩量,这样也可以节省大量的时间成本.     

1OCrSiNiCu船体钢焊接变形的数值模拟

针对IOCrSiNiCu船体钢板焊接过程比较复杂,变形不易控制的现实,利用ANSYS软件对焊接过程进行了有限元模拟.通过编写APDL程序,实现了基于生死单元模拟的焊接有限元计算,得到了不同焊接工艺参数条件下模拟变形的计算结果,并与试验对比,两者焊接变形差异较小,表明焊接模拟变形能较好的反映实际变形.     

薄板对接焊三维应力场数值模拟

利用有限元软件ANSYS对薄板对焊过程进行数值模拟,采用内部生成热作为焊接热源,根据实际焊接工艺参数,在温度场和应力应变场计算中都采用生死单元技术,与试验方法测得的变形结果进行对比,模拟所得残余应力和变形与实际测量值基本吻合,这为模拟有熔滴过渡的焊接过程的变形提供了有效的途径和方法。     

管板接头三维焊接变形的数值模拟

采用三维热弹塑性有限元法对管板接头的焊接变形进行数值模拟。研究了不同计算模型和焊接条件下接头的收缩和平板上开孔的位置和形状的变化。比较了半周模型和全周模型，固定热源和移动热源，单道焊和多道焊下的分析结果。为预测管板接头的焊接变形，控制制造精度提供了有价值的数据和方法。     

大型结构焊接变形数值模拟的研究进展

大型焊接结构件的生产过程中不可避免的存在着焊接变形,而焊接变形对于焊接质量的好坏至关重要。用数值模拟的方法研究焊接变形已成为一种高效、经济的方法。本文重点介绍了近年来数值模拟技术在大型焊接结构件焊接变形研究中的现状。     

焊接变形与基于SYSWELD的焊接力学数值模拟

汽轮机焊接一直受到由于焊接残余应力和变形所导致的产品成本高、生产效率低等问题的困扰,研究焊接残余应力和变形具有重要的工程实际意义.利用SYSWELD有限元软件完全实现了机械、热传导和金属冶金的耦合焊接计算,既考虑晶相转变又考虑了同一时间晶相转变潜热和晶相组织对温度的影响.分析空心叶片的结构特点和焊接变形原因,利用有限元软件SYSWELD对核电空心叶片的焊接进行了实时三维数值模拟,获得了焊接温度场、焊接残余应力分布及变形,并定性分析了模拟计算结果,为核电空心叶片的七段焊接方法提供理论依据.     

基于SYSWELD的地铁构架焊接变形数值模拟

通过SYSWELD焊接仿真软件的局部-全局法模拟计算了某地铁构架组焊时产生的焊接变形量,根据计算结果优化了焊接工艺,对构架设计提供数据支持。数值仿真计算结果与构架试制结果进行了验证对比,两者趋势吻合度高。通过这种方法可缩短产品试制周期,减少成本。     

焊接应力与变形数值模拟领域的若干关键问题

为了进一步提升焊接应力与变形数值模拟在工业技术领域的应用,文中提出了目前该领域所面临的主要问题,并针对材料性能参数的缺失、边界条件施加的随意性、大型焊接结构数值模拟效率低下、连续加工过程实现困难等几方面进行详细的阐述。提出了解决该类问题的一下思想方法。     

Friction stir butt welding of A5052-O aluminum alloy plates

Friction stir butt welding (FSW) between A5052-O aluminum alloy plates with a thickness of 2 mm was performed.The rotation speeds of the welding tool were 2000 and 3000 r/min,respectively.The traverse speed was ranged from 100 mm/min to 900 mm/min.The defect-free welds with the very smooth surface morphology were successfully obtained,except for at the welding condition of 3000 r/min and 100 mm/min.The onion ring structure was observed in the friction-stir-welded zone (SZ) at the condition of 2000 r/min and 100 mm/min.For all the welding conditions,the grain size of the SZ was smaller than that of the base metal,and was decreased with the decrease of the tool rotation speed and with the increase of the tool traverse speed.The stir zone exhibited higher average hardness than the base metal.The decrease of the tool rotation speed and the increase of the tool traverse speed resulted in the increase in the average hardness of the SZ.The tensile strength of the FSWed plates was similar to that of the base metal,except for at the welding condition of 3000 r/min and 100 mm/min.The total elongation of the FSWed plates was lower than that of the base metal.     

钢轨压焊顶锻变形热/力模拟研究

采用美国先进的Gleeble-2000热模拟试验机,对高速铁路轨道用U71Mn钢轨的对焊顶锻变形过程进行了热力模拟试验。研究了不同加热条件下,钢轨顶锻所需压力的大小;探索了在相同加热条件下,钢轨钢在顶锻变形过程中的顶锻量、顶锻速度以及带电顶锻时间对接头焊接质量的影响规律。实验结果为合理制定钢轨对焊工艺,有效控制焊轨质量,为列车安全运行提供了试验数据和理论依据。     

厚板角接多道焊的温度、变形及残余应力分析

采用振动焊接及气冷的方式与常规焊接对比,研究了埋弧自动焊厚板角接多道焊的温度、变形及残余应力.结果表明,和常规焊接相比,振动焊接不仅可以使焊接残余应力下降,而且也可以减小焊接横向收缩变形;气冷的方法,可以使试样散热更快,达到控制温度的目的,同时也可以减小焊接残余应力和焊接横向收缩变形.焊接中测量的焊接变形,为焊接结构的加工提供了参考数据.     

基于SYSWELD的激光复合焊焊接变形数值模拟

地铁作为一种重要的交通工具,在城市生活中起着越来越重要的作用,地铁同时具有绿色无污染、准时、运载能力强等优点. 选用3D高斯+双椭球热源,采用固有应变法,对地铁牵引梁在不同约束情况下的焊接变形进行了模拟. 在模拟现有约束情况的基础上,另外设计了3种约束情况. 结果表明,采用固有应变法的模拟与实测结果吻合较好,x,z向最大变形都出现在方案2中,分别为2.46和13.13 mm,y向变形稳定在1.63 mm左右;将变化率方差最大的角变形作为评价标准,得到方案4最合理,角变形最小为1.21°.     

316L与Q235B薄板对接接头的埋弧焊

分析了采用ER309焊丝配用HJ260焊剂进行316L与Q235-B异种钢薄板I形对接接头埋弧焊所获得接头试件背弯试验产生裂纹的原因;指出了采用高Cr,Ni的ER310焊丝配用SJ601焊剂,进行开有小尺寸坡口的316L与Q235B异种钢对接接头埋弧焊后,接头力学性能能满足JB4708—2000标准要求的原因。     

铝合金模板焊接变形数值模拟

基于有限元软件SYSWELD,数值模拟铝合金模板结构在不同焊接顺序下的焊接变形,通过对焊接热源、温度场和焊后变形的模拟与试验,验证了模型的可靠性。分析了不同焊接顺序对铝模板结构焊接变形量的影响规律,研究表明,构件在厚度方向(z向)均产生正V形的角变形,由外侧向中心对称焊接的焊后变形量最小,x、z方向最大变形量分别为0.238 mm和1.270 mm。     

超精密平面研磨磨盘变形的数值仿真研究

利用有限元软件仿真分析了由铸铁、锡、聚四氟乙烯等材料组合成研磨盘时,研磨盘的最大变形量与加载条件的关系。研究结果表明,研磨盘材料的弹性模量越大,其最大变形量越小;采用硬质材料作基体、将软质材料贴合在硬质材料表面一起构成研磨盘材料时,研磨盘加载后的变形量远远小于单独使用软质材料作为研磨盘材料时的变形量。作者计算出了当研磨盘尺寸为直径400mm×高40mm,材料分别为铸铁、纯锡、铸铁-纯锡、铸铁-PTFE时,要使研磨盘的最大变形量为2μm,所应施加的最大加载压力值分别为31.2kPa,13.2kPa,21.8kPa和11kPa.此值可供研磨机设计与使用时参考选用。     

闪光对焊闪光过程温度场分布的数值模拟

对研究闪光对焊闪光阶段焊件的温度场分布，建立了轴对称有限元模型。提出了闪光对焊过程中电热耦合作用的模拟方法。数值分析结果与试验结果吻合良好。该模型为选择和优化闪光对焊焊接参数以及为闪光对焊过程顶锻阶段的热力耦合过程的模拟提供了有效的分析手段。     

Numerical modelling of temperature distribution during multipass welding of plates

Abstract

Welding is a reliable, cost effective, and efficient metal joining process. Manual metal arc welding (MMAW) is a widely used welding process in industry and multipass welding is very frequently used in the MMAW process. The temperature distribution that prevails during multipass welding affects the material microstructure and hardness of the regions near the weld, and the residual stresses that will be present in the material after cooling to room temperature. These changes will consequently affect the performance of the welded joint. In the present work, a computer model based on the control volume method has been developed to predict the temperature distribution during multipass welding of plates using the MMAW process. To validate the computer model, the temperature distribution was measured experimentally in a 12 mm thickness stainless steel weld pad during multipass welding. The welding parameters were used as input data for the computer model. The computer predictions and the experimentally measured temperature distributions agree well.     

Heat distribution in resistance upset butt welding

Resistance upset butt welding (RUW) has been employed for wheel rim manufacturing for many decades. Recently there has been a trend toward improved production methods and the use of high strength materials, accompanied by an increasing demand for knowledge about the RUW process. One of the phenomena observed during RUW is an uneven heat distribution and temperature profile during welding. This work examines potential causes for hot spot formation and compares experimental observations with predictions from a simple thermal model to illustrate aspects of importance for adequate process control and reduction of weld rejection rates.