角接接头热源模型的温度场数值模拟

根据角接接头焊接特性,分析其焊缝不对称的特性,在双椭球热源基础上改进其热源模型。以Q235为母材,根据试验与反演算法得出改进双椭球热源参数并对其热源模型进行仿真验证,获得了焊缝成形过程与温度场分布规律及对咬边的影响;得出热源中心处纵横能量分布,证明了上下焊缝不对称的原则。该方法为合理选择焊接工艺参数和保证焊接质量提供依据参考。仿真结果表明,改进的热源模型正确。     

TiZrNiCuBe块体非晶合金激光焊接行为及温度场数值模拟研究

采用数值模拟研究了Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金激光焊接过程中的温度场变化和冷却速度变化规律,分析了Ti基非晶合金在激光焊接过程中保持非晶态结构的机理。以高斯表面热源和圆柱体热源相结合的复合热源模型作为焊接热源,考察了不同焊接参数下Ti Zr Ni Cu Be非晶合金在激光焊接过程中的热历史,结合实验结果分别对接头焊缝区和热影响区显微组织变化进行了分析,分别从加热和冷却两阶段给出非晶合金激光焊接接头非晶相得以保持的理论解释。完全非晶态接头的显微硬度测试表明:热影响区体现出较母材以及焊缝区更高的显微硬度,从玻璃转变温度、冷却速度以及屈服强度三者之间关系的角度对该现象进行理论分析,并通过实验验证分析的准确性。     

活性剂对GH4169高温合金激光焊接头组织及性能的影响

采用自行研制的活性剂对GH4169进行活性剂激光焊接试验,研究了活性剂对焊缝深宽比、焊缝元素分布、微观组织结构以及力学性能的影响规律。结果表明:采用活性剂进行激光焊接后,焊缝深宽比显著增加,活性剂对焊缝元素含量和物相组成基本没有影响。表面涂敷活性剂后,焊缝中的显微组织仍是由靠近熔合线附近的柱状晶区和焊缝中心的等轴晶区组成,但焊缝等轴晶区变大、晶粒发生细化。涂敷活性剂后焊缝中心区的显微硬度增加,但焊接接头塑性显著下降,接头的抗拉强度可达927.4 MPa,为GH4169母材强度的93%。     

T型角接头焊接热源模型研究

基于有限元软件ANSYS建立了T型角接头的三维热分析模型,阐述高斯热源模型、双椭球热源模型、均匀热源模型以及两种组合热源模型的分布函数形式,并应用各热源模型结合生死单元技术对T型接头焊接过程进行数值模拟,得到不同热源模型下的焊接动态温度场。通过对数值模拟结果的分析对比表明:高斯热源及高斯-双椭球组合热源模型的模拟熔池尺寸大小有限,使得焊缝不能达到完全熔化;双椭球热源、均匀热源模型及高斯-均匀组合热源模型能较真实地模拟焊缝熔合区的形状及温度场分布,其中应用均匀热源模型可达到更为满意的结果。     

T型接头激光深熔焊热源建模及温度场数值模拟

为了研究T型接头激光深熔焊热现象,基于激光深熔焊能量分布特点,类比T型接头焊缝几何形貌,抽象出热源模型特征参数,间接考虑小孔效应,建立了新型体积分布式热源模型。应用这一热源模型对T型接头激光深熔焊温度场进行了数值模拟,得到了T型接头激光深熔焊温度场并在三组参数下进行了实验验证,与常用热源进行了比较。结果表明,传统体热源模型不能准确模拟T接头激光深熔焊加工过程,而新型热源模型所得焊缝横截面熔合线轮廓与试验所得T型接头焊缝熔合线吻合良好。新建模型及建模方法对T型接头激光深熔焊热力耦合分析具有一定的指导意义。     

铜/镀锌钢异种金属Nd:YAG激光-脉冲MIG复合热源钎接焊

将激光一电弧复合热源焊接应用于铜与钢的熔一钎连接,用该焊接方法实现了T2紫铜合金板与镀锌钢板的优质连接。结果表明,焊接接头钢母材未发生熔化而铜合金母材熔化,其焊缝与钢母材为钎焊连接,拉伸试验中试样的断裂位置发生在焊缝铜母材热影响区,焊接热影响区略有软化。断口分析发现,接头的断裂属于塑性断裂。高倍电镜分析表明,焊缝钎焊连接界面处未见钢溶蚀及Cu沿铁素体晶界侵入现象;能谱分析结果表明,焊接接头中Cu,Fe原子分别向对方基体进行了良好的扩散,二者在钎焊连接界面处形成了Cu—Fe固溶体,并且在接头的钎焊连接界面处有Si元素的富集现象。     

预热温度对S355钢L型焊接接头温度场、应力场、应变场和微观组织的影响研究

本文主要研究典型结构钢材料S355作为焊接母材时,在不同预热温度条件下L型焊接接头的温度场、应力场、应变场以及焊缝区的微观组织变化。使用Simufact.welding软件进行焊接过程的数值模拟,采用更为符合电弧焊实际情况的双椭球热源模型。研究结果给出了预热温度对L型焊接接头温度场、应力场和应变场的影响,显示了材料S355在焊接冷却过程中的贝氏体相变对焊缝区应力场变化的影响。     

激光电弧复合焊接顺序对304不锈钢T形接头影响的模拟试验分析

建立304不锈钢T形接头三维有限元模型,研究激光电弧复合焊接顺序对304不锈钢T形接头热变形及残余应力的影响. 采用高斯面热源加高斯锥形体热源组合的热源模型,模拟激光电弧复合热源,并通过304不锈钢激光电弧复合堆焊工艺试验验证数值模拟激光电弧复合焊接过程的可靠性. 结果表明,焊缝截面熔池形貌的数值仿真结果与焊接工艺试验结果吻合较好,该热源模型能有效模拟激光电弧两种热源的复合作用. 确定多种焊接顺序方案,分析不同焊接顺序下T形接头温度场、残余应力和热变形情况,激光电弧复合焊接顺序对T形接头残余应力及热变形均有影响,通过对比不同顺序下残余应力值及热变形量发现,顺序焊接能有效减小焊接残余应力,同时反向焊接产生的热变形量最小. 综合分析,不锈钢T形接头顺序反向焊接的效果最佳.     

TC2钛合金薄板CO2激光焊对接接头组织与性能

采用大功率CO2激光焊接设备,研究了TC2钛合金薄板的焊接工艺.针对4 mm厚TC2钛合金对接接头,分析焊缝和热影响区的显微组织结构,检测焊接接头的显微硬度分布规律,并综合试验结果分析焊接接头不同区域的性能.结果表明,焊缝的微组织较母材粗大,具有较强的沿焊接热影响区经焊缝界面向焊缝中心生长的方向性;焊接接头在焊缝区的硬度最高,热影响区硬度较低且硬度变化幅度较大,靠近母材处硬度值最低,是接头强度的薄弱区.     

铝/钛异种合金激光熔钎焊接头温度分布

以5A06铝合金和TC4钛合金为母材,Alsil2焊丝为填充材料,进行了激光熔钎焊试验.在分析激光填丝熔钎焊传热行为的基础上,建立了3种激光加热模式的热源模型,并采用有限元方法对激光垂直加热、倾斜加热、光束偏置加热以及矩形光斑加热模式下接头温度场进行了计算和分析.结果表明,在铝/钛异种合金的激光熔钎焊过程中,焊缝两侧温度分布严重不对称,将光斑中心向铝合金一侧偏离焊缝中心线0.4～0.6mm可避免钛合金界面局部过热;采用椭圆光斑加热时,加热效果与圆形光斑相近;采用矩形光斑加热,接头界面上下温度分布较为均匀.     

纳秒激光直写表面辅助下紫铜的激光焊成形及接头组织和性能

针对紫铜激光焊高反射率问题,提出了一种纳秒激光直写表面辅助下紫铜激光焊方法.利用纳秒激光对紫铜待焊区表面进行激光直写,产生覆盖有纳米颗粒的周期微结构,提高吸收率从而实现激光焊.阐述了纳秒激光直写表面降反作用机理,研究了焊接工艺参数对焊缝成形的影响,对焊接接头的组织和力学性能进行了分析.结果表明,纳秒激光直写表面能够有效降低紫铜对激光的反射率;随着焊接激光功率增加,焊缝成形由宽而浅变为窄而深;焊缝区结晶以铜晶粒为晶核呈柱状晶生长,且柱状晶尾部呈弯曲状指向焊接方向,并非指向中截面生长,树枝状束粗细均匀;通过线扫描发现表面纳秒激光直写处理对紫铜焊缝冶金行为几乎没有影响,仅在距离焊缝表面53μm范围内存在少量O元素,而焊缝内部几乎没有氧等异质引入,均为紫铜的单相固溶体;接头的抗拉强度为母材的81.4%,焊缝中心硬度为65.8 HV0.1,断口表现为延性断裂,焊缝保持一定塑性.     

激光表面预处理对激光焊接接头组织的影响研究

利用激光表面预处理技术清除2 mm厚低碳钢的表面油漆等污物,以期改善焊接接头的性能;对预处理后的母材进行激光焊接,对比分析激光表面预处理对激光焊接接头组织的影响。结果表明:表面预处理后,试板表面污物被去除,母材存在一定的热影响区,预处理区的母材组织晶粒细化。较合理的激光表面预处理参数为激光功率3~3.5k W,离焦量450 mm,焊接速度1.8 m/min。激光焊接后,焊缝截面呈"沙漏状"。随着预处理激光功率的减小,焊缝宽度减小。激光焊接后,预处理的试样焊缝区柱状晶明显细化,预处理试样的焊缝区显微硬度比未预处理的高。     

半导体激光焊接85Cr17与0Cr18Ni9不锈钢的组织与性能

采用半导体激光作为焊接热源,对高碳马氏体不锈钢85Cr17和奥氏体不锈钢0Cr18Ni9进行对接焊试验,分析了焊接接头的显微组织并测试了显微硬度和拉伸强度.结果表明:采用半导体激光焊接工艺可实现85Cr17和0Cr18Ni9的对接焊,获得连续、平整的焊缝;焊缝中心区域主要为等轴晶,近中心区为柱状晶与树枝晶的混合组织.靠近基体侧的焊缝边缘区为柱状晶组织;焊缝区的平均硬度高于两种基材;拉伸试样均断在85Cr17侧热影响区,未焊透时,焊接接头抗拉强度达到0Cr18Ni9母材的88%,焊透时,抗拉强度达到0Cr18Ni9母材的95%以上.     

镍基合金TIG焊接熔池及热影响区组织模拟

基于枝晶生长动力学和晶粒长大理论,采用元胞自动机法(CA)建立了焊接熔池及热影响区的微观组织演变模型. 通过有限元模型计算了TIG焊接过程的温度场分布,并利用插值算法将热循环曲线应用于CA模型,计算了镍基合金TIG焊接熔池凝固过程枝晶生长及热影响区的晶粒长大. 结果表明,焊缝边缘的晶核主要以柱状晶的形式向焊缝中心生长,其最终形貌取决于半熔化母材晶粒上的联生结晶及不同取向枝晶间的竞争生长,焊缝中心为等轴晶组织. 焊接热影响区的晶粒长大使得熔池凝固形成的柱状晶组织粗大. 模拟结果与试验结果吻合较好.     

镍基合金TIG焊接熔池及热影响区组织模拟

基于枝晶生长动力学和晶粒长大理论,采用元胞自动机法(CA)建立了焊接熔池及热影响区的微观组织演变模型.通过有限元模型计算了TIG焊接过程的温度场分布,并利用插值算法将热循环曲线应用于CA模型,计算了镍基合金TIG焊接熔池凝固过程枝晶生长及热影响区的晶粒长大.结果表明,焊缝边缘的晶核主要以柱状晶的形式向焊缝中心生长,其最终形貌取决于半熔化母材晶粒上的联生结晶及不同取向枝晶间的竞争生长,焊缝中心为等轴晶组织.焊接热影响区的晶粒长大使得熔池凝固形成的柱状晶组织粗大.模拟结果与试验结果吻合较好.     

能量排布方式对双光束激光填丝焊温度场与应力场的影响

建立了面热源＋双圆柱体热源的双光束激光焊接热源模型,并结合Marc有限元软件,对光束间距为0．6mm的双光束激光填丝焊接铝合金的温度场和应力场进行了数值模拟,分析了不同能量排布方式对焊缝熔池温度分布特征及其残余应力的影响．随着光束与焊缝中心线所成角度的减小,热源熔化效率逐渐减小;焊后焊缝区残余应力主要为纵向拉应力,能量排布方式对残余应力最大值的影响不明显,其主要影响残余应力分布区域范围和焊接工件角变形．     

5454铝合金管道环缝焊接应力应变数值模拟

采用SYSWELD焊接模拟软件对5454铝合金管道焊接接头进行数值模拟,建立了管道环焊缝熔化极氩弧焊双椭球热源模型,模拟出体积分布热源作用下的温度场,以获得的温度场为已知条件加载,求得管道环焊缝接头焊接应力应变场的分布规律,对探索铝合金焊接规律提供了有益的帮助。     

高氮钢激光-MIG复合焊温度场数值模拟

提出了一种修正的曲线峰值递减锥体热源+峰值递增柱状热源的复合式热源模型,采用该热源模型进行高氮钢激光-电弧复合焊温度场数值模拟,获得高氮钢激光-电弧复合焊焊接过程温度分布。结果表明,修正的热源模型能够对高氮钢激光-电弧复合焊焊缝成形进行较好的表征,模拟计算得到的熔池轮廓与实际测量值吻合较好。由于电弧减缓了材料的冷却速度,熔池呈现泪滴状拖尾,可以较好地表征熔池移动行为。采用模拟计算分析得到的优化工艺参数进行焊接试验,焊后接头力学性能测试结果表明,焊缝最高抗拉强度为1 049 MPa,达到母材的95.4%,焊缝冲击吸收功可达母材的87.5%,为高氮钢激光-电弧焊接工艺的制订提供了指导。     

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。     

0Cr17Ni4Cu4Nb钢中厚板光纤激光焊接工艺特性

采用光纤激光对5.5 mm厚0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不锈钢板进行激光焊接试验研究,研究了工艺参数对激光焊接接头表面成形、组织及力学性能的影响规律。结果表明:开I型坡口,采用单层激光自熔焊即可获得焊缝表面成形良好的接头。激光功率、焊接速度、离焦量是影响焊缝成形的主要因素,激光功率3500 W、焊接速度1.3 m/min、离焦量-2 mm的工艺参数下焊缝成形最佳。采用收弧末端功率衰减、速度保持的方式,可以有效改善弧坑处焊缝成形。焊缝组织主要为柱状晶内呈束状分布的板条马氏体,热影响区组织为尺寸不均匀的淬火马氏体,对接焊接头的抗拉强度为1187 MPa,达到母材的90.6%。