外部约束对薄壁高温合金尾喷管焊接变形的影响

以壁厚为1 mm的高温合金尾喷管为研究对象，基于热-弹-塑性有限元法与固有应变法，研究外部约束对薄壁高温合金尾喷管工件焊接变形的影响。通过焊接工艺试验和热-弹-塑性有限元法仿真，进行焊接热源校核，获得对接接头的固有应变和材料模型参数。建立全尺寸三维尾喷管焊接有限元模型，基于固有应变理论的弹性有限元方法，利用平板对接获得的材料模型参数，计算不同外部约束对尾喷管工件焊接变形的影响。结果表明：进气口约束对控制尾喷管焊后变形起主要作用，在进气口施加约束时，工件变形最小，为2.39 mm,变形发生在尾喷管内环与外环弧形焊缝位置。通过尾喷管组件产品焊后变形测量与仿真结果对照，验证了仿真计算方法的准确性，固有应变法可适用于薄壁尾喷管焊接变形预测。     

铝合金薄板固有变形逆解析方法的研究与开发

为了获得可靠的铝合金焊接接头上固有变形,开发一种将实验与基于固有应变的有限元法(FEM)融为一体的新方法来获得接头的固有变形。为了澄清铝合金薄板焊接固有变形的分布特征,先采用热-弹-塑性有限元计算铝合金TIG重熔接头的焊接变形,并建立固有变形在接头上的简化分布模型。其次,以该模型为基础,提出一种通过测量焊接接头上少数位置上焊前和焊后三维坐标来逆向求解固有变形的计算方法。最后,将利用该算法获得的铝合金薄板接头固有变形代入到基于固有应变理论的弹性有限元分析中,计算得到的焊接变形能较好地再现热-弹-塑性有限元方法计算得到的结果和实验结果。结果表明:采用提出的逆解析方法来获得铝合金接头的固有变形是有效可行的。     

采用固有应变法预测超薄板的焊接变形

文中以汽车制造中常用的1 mm厚的薄板为分析对象,采用热-弹-塑性有限元分析了焊缝长度对固有变形分布特征的影响,通过比较热-弹-塑性有限元法及固有应变法预测的变形结果,定量分析了焊缝长度对固有应变法预测超薄板焊接变形时计算精度的影响.结果表明,当焊缝长度达到一定临界长度时,固有应变法可适用于板厚为1 mm左右超薄板焊接接头的焊接变形预测.     

GH3536合金薄板电阻缝焊组织及性能的研究

GH3536高温合金具有优良的抗氧化性和高温服役性能,广泛应用于航空发动机、燃气轮机热端零部件,其中火焰筒、内涵喷管等薄壁筒体零件常采用电阻缝焊连接。研究了1.2 mm厚GH3536薄板电阻缝焊工艺,分析了慢速焊接和快速焊接焊缝微观组织和力学性能。结果表明采用焊接电流6.9 kA,电极压力11.5 kN,焊接速度24 cm/min和焊接电流8.4 kA,电极压力14 kN,焊接速度36 cm/min的工艺参数都可以获得优质焊接接头。焊接接头由母材、焊核区和热影响区组成,热影响区为焊缝薄弱区域。     

航空发动机转子组件电子束焊变形预测

航空商用发动机组件尺寸精度要求较高,且组件焊接后盘心位置不能进行机械加工,因此采用数值模拟的方法对转子组件进行焊接变形预测. 试验将基于热弹塑性理论计算提取固有应变数值;通过理论计算得到GH4169合金电子束焊缝的固有应变值,分析焊接工艺参数对焊缝固有应变的影响规律;建立结构件模型,分析焊接工艺、焊接顺序及工装条件下组件焊接变形. 结果表明,相比于第一,第二和第三级盘,第四级盘心轴向变形最大,且通过增大扫描速度和改变约束方式的方法可以有效减小焊接变形,从而完成对转子组件焊接变形进行预测和控制.     

Q345E薄板高频脉冲MAG对接焊工艺及数值模拟

文中针对板厚为3 mm的Q345E低合金高强钢的低应力、小变形焊接工艺进行研究。采用打底焊模式的高频脉冲加短路熔滴过渡形式和电弧冷焊方法进行焊接。利用ABAQUS有限元分析软件的热-弹-塑性法,进行焊接温度场、应力场与焊接变形仿真分析,并对焊接热循环、焊接残余应力与焊接变形的变化进行测试,结果如下：打底焊模式0 mm间隙工况与电弧冷焊模式1 mm间隙工况的焊缝成形形貌良好,无裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷;在选择焊接方法时,0 mm间隙可选打底焊,1 mm间隙可选电弧冷焊;当试板正、背面受热不同,冷却过程中收缩程度也不一致,产生角变形,变形特征确定后,可通过减小热输入,减小正、背面受热差值来减小变形;纵向残余应力比横向残余应力相对较大,纵向残余应力正背面差值较小,横向残余应力正背面差值较大,应力场模拟特征与实测基本一致。     

结构刚度对薄壁箱型梁焊接变形的影响

目前基于工艺参数、焊接顺序和拘束度对焊接变形影响的研究虽多,但有关焊接结构刚度对焊接变形影响的研究仍较少。利用T形接头进行三维热弹塑性有限元分析,在试验验证其合理的基础上,利用逆解析法在瞬态焊结果中提取四成分固有应变数据,并基于固有应变理论的弹性有限元方法对薄壁箱型梁结构进行焊接变形预测,定量研究腹板间距和高度对焊接变形的影响。研究表明,腹板间距的增大在一定范围内使结构整体焊接变形减小,两者之间呈现一次函数关系;腹板高度的增加在一定范围内也使结构整体焊接变形减小,两者之间呈现二次函数关系。     

采用固有应变法预测铝合金焊接变形

伴随焊接过程而产生的焊接变形和残余应力是影响焊接产品精度和性能的重要因素,至今仍然是工业生产中迫切需要解决的重要课题。目前常用的预测焊接变形的方法是三维热弹塑性有限元法,但是由于现有计算机计算能力的限制,还不能预测很多复杂结构的焊接变形。固有应变法是由日本学者提出的解决复杂结构焊接变形的方法,它忽略了整个焊接过程,直接将固有应变施加于壳单元上,经过一次弹性计算就可得到焊接变形。本文用三维热弹塑性有限元和试验相结合的方法获得了平板对接接头形式下的固有应变,运用固有应变法预测铝合金5052平板对接后的焊接变形,通过计算和试验相结合的方法验证了固有应变法预测铝合金焊接变形的可行性,结果表明,固有应变法能够较准确地预测焊接变形,且所用的时间短。     

P70端墙结构的焊接变形仿真与控制

货车端墙结构在焊接过程中由于焊缝处收缩产生压应力导致端墙结构失稳,产生波浪变形,一方面使结构强度降低,另一方面影响了表面的平整和美观。采用固有应变有限元法可以避开整个焊接过程,着眼于焊接以后在焊缝和近缝区存在的固有应变,找出固有应变大小和分布与焊接参数以及焊件尺寸等的关系,将固有应变作为初始应变值进行一次弹性有限元计算,就可以得到整个焊件的残余应力和变形。通过将固有应变等效为焊缝及热影响区的热载荷,可以进行线性失稳分析确定临界载荷,然后采用非线性失稳分析确定失稳变形的大小。同时在仿真模型的基础上,研究不同线能量对焊接变形的影响程度。     

Q345钢对接接头残余应力与变形的预测

以ABAQUS软件为平台,开发了用于模拟多层多道焊接头温度场、残余应力和焊接变形的热-弹-塑性有限元计算方法. 利用所开发的计算方法对板厚为16 mm的Q345钢平板对接接头的温度场、应力场和变形进行了数值模拟. 采用试验方法测量了对接接头的残余应力和角变形. 试验结果与数值结果比较吻合,验证了所开发方法的有效性. 结果表明,在板厚相同的条件下角变形和横向收缩随着焊接层数的增多有增大的趋势;焊缝附近的纵向拉伸应力区域分布范围随焊接层数的增加略有减小;焊接层数对纵向残余应力的峰值影响较小.     

Investigation on twisting distortion of thin plate stiffened structure under welding

The welding distortion of thin plate was selected as research subject, which causes loss of dimensional control, structural integrity and increases fabrication costs for straightening. To study the characteristic of the welding distortion on thin plate structures, experiments were conducted. The test model was a thin plate stiffened structure and a large twisting distortion was observed. The welding distortion of the same structure was analyzed as a large deformation problem using a thermal elastic plastic FEM and an elastic FEM based on the concept of inherent deformation. The computed results by both methods showed the twisting distortion which is a typical buckling type deformation and the magnitude of this distortion agreed well with the experimental measurement.     

Finite element analysis of controlling the TC4 thin plate weldment wave-like deformation by welding with impacting rotation

The new technology of welding with impacting rotation is put forward to decrease the wave-like deformation of the TC4 thin plate weldment.The thermal stress and strain are vital to understand the mechanism of controlling the wave-like deformation.In order to know the development of internal thermal stress and strain,finite element method is utilized for the stress and strain are difficult to be investigated by experimental methods during the welding process.Temperature field,thermal stress evolution and distortion of thin plate are compared with the test results such as weld thermal cycle,residual stress sectioning measurement,and the deflection of the thin plate respectively.By the finite element analysis and test results verification,the mechanism of the technology to control the wave-like deformation is brought forward,non-uniform thermal elastic strain between compressive plastic region and elastic extensive region is diminished by a certain amount of extensive plastic deformation by welding with impacting rotation process.     

基于固有应变的大型焊接结构变形的预测

首先用热弹塑性有限元法研究了铝合金对接焊的固有应变的变化规律，得到了固有应变，即纵向收缩力Tendon Force，横向收缩和角变形与热输入参数Q／h^2之间关系曲线。在掌握了同有应变的变化规律的基础上，通过简化焊接结构，用弹性板单元有限元法，对大型铝合金机车车顶盖的部分结构的焊接变形进行了预测。研究表明，用基于固有应变的弹性板单元有限元法对大型焊接结构的焊后变形预测足可以实现的。     

网格尺寸对别克轿车副车架总成焊接变形预测精度的影响

焊接时焊缝及其附近因热膨胀受到周围温度较低金属的拘束，产生大量的压缩塑性应变（简称残余塑变），残余塑变的大小和分布决定了最终的残余应力和变形。副车架的焊接变形对汽车底盘的制造精度和质量有重要的影响。本文用残余塑变法对别克轿车副车架焊接总成时，连接前梁、后梁、左梁和右梁的21条焊缝焊接以后的变形规律进行了有限元建模与分析。计算采用了两种大小的有限元网格尺寸，结果表明，对副车架焊接变形分析，焊缝附近大小为15mm的网格尺寸是合理的。所得焊接变形的有关数据可供焊接工艺设计时的预留变形量、工艺参数以及夹具设计等参考，从而保证底盘件的焊接精度和质量。     

Review on finite element analysis of welding deformation and residual stress

Welding deformation and residual stress have negative influence on assembly accuracy and service performance. Thermal elastic plastic (TEP) and inherent strain finite element analysis (FEA) methods were used to study this challenge. Basic principle of these two methods was first introduced. The influence of welding process, constraints, solid phase transformation and multi-pass welding on deformation and residual stress was discussed, and computation accuracy and efficiency were summarised. Loading method of inherent strain in inherent strain FEA was analysed, interface element was introduced to simulate effects of the gap on deformation in assembly welding especially for large structures. The future work, including accurately multiscale TEP model, efficiently transient prediction method of large structures, and flexible evaluation software, was planned.     

焊接变形预测技术研究进展

焊接变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一，焊接变形的存在不仅影响着焊接结构的制造过程，而且影响着焊接结构的使用性能。一般认为，焊接过程中材料的不均匀受热、板厚方向的热梯度、材料的局部非协调塑性应变以及焊接残余应力的作用是产生各种焊接变形的根本原因。焊接变形预测方法大都基于有限元分析。文中详述了国内外有关焊接变形预测技术的最新研究进展，具体介绍了热弹塑性有限单元法、固有应变法以及基于传统有限元的优化设计法与人工神经网络模型等先进的焊接变形预测方法。     

Efficient Simulation of Welding Distortion in Large Structures and Its Reduction by Jig Constraints

Two large construction machinery structures were welded separately with and without jig constraints. The welding distortion of the entire structure was measured by a 3D coordinate measuring system and simulated by elastic FEM using the inherent deformation method. To obtain an accurate inherent deformation, a thermal elastoplastic FE analysis of simple one-side fillet joints with and without jig constraints was performed. Efficient simulation of welding distortion in large structures was accomplished by applying inherent deformation in a localized region, and the effect of jig constraint on the reduction of welding distortion was clarified. The computation of inherent deformation, the weld zone definition and the conversion of inherent deformation into inherent strain were automated. Measured and computed welding distortions in large structures had a good correspondence with respect to both tendency and magnitude. Further investigation of jig configuration was performed for enhanced reduction of welding distortion. Alternative controlling techniques for common welded structures were also addressed.     

固有应变有限元法预测焊接变形理论及其应用

介绍了固有应变的概念、固有应变有限元法预测焊接变形的理论和方法。固有应变存在于焊缝与近缝区 ,并与焊接热输入和板厚等因素有关 ,通过试验和热弹塑性分析 ,可以确定它们的关系曲线。固有应变法只需一次弹性有限元计算 ,因而是预测大型复杂结构焊接变形的一种十分有效的方法。文中介绍了若干工程中成功的应用实例