基于热-力耦合法的高速车地板焊接变形数值模拟

基于热-力耦合的有限元法,对高速车地板大型复杂铝合金挤压中空型材结构的拼焊过程进行了数值模拟.为了提高计算精度,试验测试了随温度变化的材料动态力学性能参数及热物理参数,并采用移动双椭球体热源模型模拟MIG焊接热源.对多个高速列车地板结构的焊后挠曲变形进行了现场测试.结果表明,模拟计算结果与测试数据具有很高的吻合度.基于热-力耦合的有限元法并将材料动态高温性能参数带入模拟计算的方案能够为大型复杂结构的焊接变形预测提供高效、高精度的技术手段,为目前结构的制造工艺改进及新产品的开发提供数字化的研究平台.     

动车组铝合金型材地板焊接变形的数值模拟

采用非线性有限元软件MSC.Marc对动车组地板大型复杂铝合金挤压中空型材结构的焊接过程进行了数值模拟.为了提高计算效率和精度,对结构的有限元模型进行了合理的疏密过度的网格划分,实测了材料随温度变化的热物理-力学性能参数,并采用双椭球体热源模型模拟MIG焊接热源.通过对某型号动车组地板结构焊接后挠曲变形的实际检测,结果证明模拟计算结果与检测数据吻合良好.研究结果证实:基于热-机耦合的有限元法并将材料动态高温性能参数的试验测试数据代入模拟计算的方案,能够为动车组铝合金型材地板焊接结构的焊接变形预测提供高效、高精度的技术手段利用本方法可以实现同类复杂结构焊接变形高精度预测.     

随焊激冷法控制高速列车地板焊接变形的数值模拟

利用非线性有限元分析软件MSC.Marc模拟空冷及不同随焊激冷措施下高速列车地板结构的焊接变形及温度场。模型中使用母材和填充材料的动态特性参量,采用移动双椭球热源模型进行计算,结果表明随焊激冷措施对近缝区的温度场的干涉作用明显,焊接时可有效降低峰值温度和热影响区宽度。此外随焊激冷措施对较小角变形、纵向挠曲变形也有一定效果,对离焊缝中心较近及较远处的温度场同时进行控制的随焊激冷方案可使焊后的纵向挠曲变形减小近一半。     

地板结构焊接过程有限元分析及 工序优化

在轨道车辆铝合金车体中,地板是典型的铝合金挤压型材拼焊结构,其焊后易产生较大的残余应力,并伴随鼓包、扭曲等焊接变形,增大了车体各组件之间的装配难度,降低地板承载能力。首先通过建立基于"热弹塑性法"的热-力耦合有限元模型并进行计算,获得了地板结构焊后残余应力场以及焊接变形的分布。随后将残余应力的模拟结果与试验结果进行对比,发现模拟与试验结果变化趋势具有一致性,验证了所建模型的准确性。最后,针对地板结构不同的焊接顺序进行了仿真对比分析,得到了焊接变形和残余应力最小的焊接方案,为焊接实践提供指导。     

高速列车铝合金车身双热源搅拌摩擦焊仿真

高速列车采用超长铝合金型材作为车身新材料。搅拌摩擦焊以固相连接原理成为高铁车身制造新工艺。针对单热源模型不足,考虑搅拌轴肩转动摩擦生热和搅拌头塑变剪切生热,建立搅拌摩擦焊双热源有限元模型。基于传统熔焊方式,实现满足搅拌焊特征的双面挤压型材接头变形设计。通过ANSYS二次开发,完成该工艺移动瞬态热交换数值仿真,获得焊接全程三维温度场分布,仿真结果与试验数据吻合良好。结果表明,该仿真模型可行．仿真结果合理,为高铁车身国产化制造工艺吸收和工艺优化提供参考。     

高速列车车顶局部结构焊接研究

根据高速列车车体结构焊接工艺特点,采用适合铝合金型材焊接的双椭圆柱-高斯分布热源模型,对高速列车的车顶局部结构的焊接过程进行了热机耦合的仿真。结果表明:使用基于有限元的焊接数值仿真方法能有效地模拟焊接温度场时域上的变化过程,准确地预测结构变形、残余应力分布规律,针对高速列车顶板局部结构的焊接顺序进行仿真,针对不同方案控制焊接变形与残余应力分布的问题进行定性分析,为提高高速列车车顶的焊接产品质量提供参考依据。     

380A高速列车地板焊接变形调控研究

针对380A型高速动车组长大型材焊接变形优化的需求,测试了铝合金型材的热物理参数,使用Sysweld软件对双层地板的焊接顺序、装夹方式、焊接反变形、结构设计等对焊接变形的影响规律进行了计算仿真。研究发现,改变焊接顺序对改善地板结构焊接变形作用不大;适当增加地板中部型材装夹,减少地板两端型材装夹有利于降低地板结构焊接变形,地板型材宽度增加可大大降低地板结构的焊接变形。     

7N01铝合金板材对接MIG焊接位置适应性研究

7N01铝合金是高速列车车体关键材料,生产中往往需要在各种不同焊接位置条件下进行焊接,接头对不同位置的适应性是决定实际生产工艺设计的关键。采用熔化极惰性气体保护焊(MIG)方法,利用高速列车现行焊接工艺,制备了高速列车结构材料7N01的平焊接头、仰焊接头及立向上焊接头,观察接头宏观形貌,研究不同位置条件下焊接接头的组织与性能,分析不同焊接位置对接头性能的影响。结果表明:不同焊接位置的焊接工艺均能保证得到优质的焊接接头,在PA位置条件下接头抗拉强度最高。     

高速列车6N01铝合金型材激光-MIG复合焊研究

针对高速列车的单层地板和侧墙部件,分别采用MIG焊和激光-单丝MIG复合焊进行6N01铝合金型材试验研究,优化了复合热源焊接的坡口尺寸,对比分析了两种焊接方法的焊缝成形、焊接效率、接头力学性能及微观组织。试验结果表明,复合焊在焊接速度为3 m/min时仍可获得良好的焊缝成形,与MIG焊相比,复合焊接效率可提高3倍以上,抗拉强度提高9%左右。     

铁路货车铝合金顶盖的搅拌摩擦焊

文中通过对铝合金6005A-T6中空挤压型材采用搅拌摩擦焊进行焊接工艺试验,确定了合理的焊接工艺参数,确保了漏斗车铝合金顶盖的焊接质量。     

基于单片机控制的Q890D钢/6061铝合金MIG焊接头组织与性能

选取TI公司开发的MSP430F149单片机为控制核心的MIG焊过程控制系统,研究焊接电流、焊接速度、焊接方向&焊枪角度和钢侧坡口角度等对Q890D钢/6061铝合金焊缝成形的影响,并在优化焊接工艺下分析焊接电流和焊接速度对Q890D钢/6061铝合金MIG焊接头界面区组织和接头力学性能的影响。结果表明:Q890D钢/6061铝合金适宜焊接方向为右焊法,适宜的焊枪角度为10°,适宜的钢侧坡口角度为45°,焊丝位置宜处于钢侧坡口中部,适宜的焊接电流和焊接速度分别为105 A和50 cm/min;不同焊接电流和焊接速度的Q890D钢/6061铝合金MIG焊接头的断裂位置都处于界面区,而MIG焊过程中界面区形成的靠近钢侧的(Fe,Cu)2Al5和靠近铝侧的(Fe,Cu)4Al13相的双层金属间化合物层结构有助于改善焊接质量。     

薄板激光焊接热变形的检测

主要对5052铝合金薄板在激光焊接中的变形过程进行了全程监控,对焊接变形量进行了精确测量并得到焊接过程中待测点的变形量随时间变化的曲线.相对于传统的变形测量而言,采用独特的非接触数字图像相关技术全场测量法对激光焊接变形进行精确的测量,使用三维云图再现了变形量,并在不同焊接参数下对焊接变形量进行研究,得到焊接变形量随激光功率的增加而增加,随焊接速度的增加而减小,随着离焦量负值变为正值而减小.待测点的变形量在焊接过程中呈现持续增长的趋势,但是在不同的时间增长的速度不同.     

双层铝合金车体焊接结构设计

依照双层铝合金车体总体设计规范的要求,以车辆动态包络线作为车体断面设计的约束条件,进行车体的三维设计和详细结构设计,按照EN 15085的焊接标准要求优化双层铝合金车体焊接结构,同时对车体母材与焊接材料进行优化匹配。经车体静强度试验验证,优化后的焊接接头型式减少了车体大部件和车体总成的焊接变形,适合车体的模块化制造需求。通过计算车体静强度,证明250 km/h双层铝合金试验车体的强度符合EN 12663要求,产品的安全性、可靠性满足欧洲铁路客车强度规范。     

7075铝合金MIG焊接头金相组织、力学性能和耐蚀性的应力敏感性

作为航空航天和轨道交通领域有竞争力的一类高强高硬铝合金,7系铝合金的焊接及其性能研究引发关注. 以单面焊和双面焊7075铝合金为研究对象,对接头的金相组织、力学性能进行研究,并对其在不同应力下3.5% NaCl溶液中的耐蚀性进行对比分析. 结果表明,与单面焊工艺相比,双面MIG焊接7075铝合金焊缝的金相组织更均匀细小,但两者力学性能差别不大,断裂均发生于焊缝处. 单/双面MIG焊接接头近缝区的耐蚀性优于焊缝和远离焊缝区. 同时,双面焊提高了接头的耐蚀性. 在外加应力的作用下,试样的稳态钝化活化过程被破坏,动电位极化过程中发生了多个阳极极化过程,使腐蚀过程受应力、腐蚀电位等多种因素的共同作用.     

SUS 301L不锈钢冷金属过渡焊搭接接头焊接工艺、微观组织及力学性能

随着我国轨道交通行业的飞速发展,车体减重对于节省能源有着重大意义。利用CMT冷金属过渡焊接技术对4—0.8 mm SUS301L-MT不锈钢搭接接头进行工艺研究,获取最优工艺参数;同时,观察焊接接头的宏观形貌、微观组织,测量其力学性能及变形。结果表明,在最优工艺参数下,焊缝成形美观,无明显缺陷,焊缝区组织主要为奥氏体柱状晶和枝晶状铁素体;焊接接头最大拉伸剪切力达到22 234.42 N,硬度测试最小值均出现在焊缝区;此外,焊后试板呈现波浪变形,最大Z方向变形量出现在试板边缘。     

2219铝合金与不锈钢惯性摩擦焊接接头组织与力学性能

异种金属的连接可实现节能、经济及减重的目标,成为航空航天、造船、铁路运输等领域的研究热点之一;而铝合金与不锈钢物理化学性能差异明显,成为异种金属中最难实现的连接接头之一。采用惯性摩擦焊接技术进行2219铝合金与不锈钢回转体的连接,分析不同焊接工艺参数下铝钢惯性摩擦焊接接头的显微组织与力学性能。结果表明,惯性摩擦焊接使铝钢接头铝合金一侧形成了细晶区和拉长晶区;EDS结果显示焊接界面处发生了Fe、Al等元素扩散。硬度测试结果表明,在连接界面处-0.6~+0.15 mm范围内硬度值发生了明显的阶跃变化,该区域为受焊接热及变形作用的主要区域,硬度值高于母材。合理焊接工艺下获得的2219铝合金与不锈钢接头拉伸强度为235~300 MPa。铝钢惯性摩擦焊接断口以脆性断裂为主。     

Effects of welding parameters and welding sequence on residual stress and distortion in Al6061-T6 aluminum alloy for T-shaped welded joint

The distribution of temperature and then the distribution of residual stress and distortion in the stiffened aluminum alloy Al6061-T6 plates under the metal inert gas (MIG) welding process were investigated by three dimensional thermo-mechanical coupled finite element model using Ansys software. The properties of materials were considered temperature-dependent and the filler metal was added to the workpiece by the element birth and death technique. In three modes of current, two different speeds and two various sequences, the distribution of residual stress and distortion were calculated and analyzed. The results showed that increase in welding speed decreased the vertical deflection in the plate, transverse shrinkage and angular distortion of plate and the lateral deflection of stiffener, but increased the maximum longitudinal tensile stress in the plate and stiffener. Furthermore, increase in current increased the residual stress and deformation in the plate and stiffener, and the change in the welding sequence changed the distribution of the distortion in the plate and the stiffener without significant change in the distribution of the longitudinal residual stress.     

铝合金薄板MIG焊焊接变形仿真预测的工程应用

铝合金薄板因其材料和结构的特殊性,其焊接变形很难控制,由此造成的焊接质量问题一直是轨道交通行业的焦点问题,文中以MIG焊制造铝合金车体薄板为研究对象,应用数值模拟技术开展焊接变形的仿真预测,基于成熟的移动热源法,以分段温度函数法的高效计算方法,模拟了2.2 mm厚度车体端墙顶板的焊接过程,得到了焊接仿真熔池和焊后变形数值,与实测变形值误差在20%以内.结果表明,仿真熔池形貌与焊接熔池形貌基本吻合,反变形及仿真结构与现场焊接趋势吻合,控制压臂力度、压头位置、焊接顺序、反变形量等参数优化了端墙顶板的焊接工艺.     

轧制态6082-T6铝合金的热压缩力学行为及微观组织分析

采用热模拟试验机对轧制态6082-T6铝合金进行热压缩试验,分析了合金在变形温度100~400 ℃,应变速率0.01 s^-1条件下的流变应力,对不同温度热变形的微观组织进行了表征。结果表明,轧制态6082铝合金的力学性能受变形温度和轧制方向的影响。变形过程中应力呈现负的温度敏感性,即随着变形温度升高,应力不断下降。合金表现出明显的力学性能各向异性,压缩强度在与轧制方向呈0°和90°较高,45°方向强度较低。经过热压缩变形后,与轧向呈不同方向的6082-T6铝合金的晶粒组织均沿着剪切力方向发生扭曲,同时,变形温度对晶粒组织的演变影响不大。随着变形温度的升高,合金基体内的位错密度明显下降,析出相发生粗化。