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。     

数值模拟在焊接中的应用分析

焊接是一个复杂的物理化学过程,传统的试验方法研究焊接现象不仅成本高、效率低,而且其应用存在一定的局限性,但单纯采用理论方法又很难准确地解决生产中存在的实际问题.借助计算机技术对焊接现象进行数值模拟,可以研究各种复杂的焊接问题,对焊接结构生产具有重要的指导意义.讨论焊接数值模拟技术的基本原理和主要模拟方法,综述数值模拟技术在焊接温度场分析、焊接应力应变分析、焊接冶金和焊接接头组织性能分析方面的应用及研究现状,指出了焊接数值模拟技术的主要发展方向.     

氢致裂纹试验及数值模拟技术国内外研究现状（2）

3 氢致裂纹数值模拟技术3.1 研究状况数值模拟是利用数学计算和数学分析的方法再现某一物理过程,可以加深对该过程发展规律的认识进而加以控制.近年来,随着对焊接热传导过程、焊接力学、金属相变热力学/动力学及传质过程研究的深入,一些焊接物理过程目前可以采用简化的数学模型加以描述.其中焊接热过程数值模拟、瞬时焊接应力/应变数值模拟、焊接区组织模拟及氢扩散与聚集行为数值模拟技术均取得了一定的成果.随着计算机软硬件技术的不断完善,计算机的计算能力和计算速度不断提高,采用近代计算机软硬件的开发成果对焊接氢致裂纹进行数值模拟逐渐成为可能.在焊接性数值模拟方面,近十年来,世界各地的焊接工作者进行了一些尝试,取得了一些成果.国际焊接学会(IIW)于80年代后期组建了焊接性数值模拟工作组,该工作组于l991年     

水下焊接过程数值模拟研究现状与发展趋势

水下焊接是水下工程结构的安装、维修施工过程中不可缺少的重要工艺手段,常被用于海上救捞、海洋能源、海洋采矿等海洋工程和大型水下设施的施工过程中。结合水下焊接和焊接模拟的发展情况,简述了国内外有关水下焊接的数值模拟研究现状,分析了当前水下焊接模拟存在的一些问题,并对今后该项技术的发展趋势做出了展望。     

摩擦焊过程热力耦合数值模拟研究历程及现状

结合摩擦焊的特点以及数值模拟技术的发展,总结了国内外摩擦焊数值模拟方面的进展和研究现状,重点介绍了国内利用有限元法进行摩擦焊过程热力耦合数值模拟的研究成果,论述了焊接过程中温度场、应力应变场的变化规律,为进一步开展国内外摩擦焊多场分析提供指导。     

激光焊接熔池动态行为数值模拟的进展与分析

激光焊接匙孔和熔池行为与焊接缺陷的形成和焊接质量直接相关,研究激光焊接匙孔和熔池行为对理解激光焊接机理和控制焊接质量具有重要意义。国内外学者根据焊接过程中的物理现象和测试数据,提出了相应的数学模型和计算方法,来模拟熔池内部的流动行为、匙孔的演化行为及其内部金属蒸汽的动力学行为,通过激光焊接熔池行为的数值模拟可提前预测并采取相应措施降低焊接缺陷的形成,将有利于提高激光焊接工件的焊缝质量。对国内外激光焊接熔池行为的数值模拟技术,如激光深熔焊、双束激光焊接、真空激光焊接、磁场作用下的激光焊接、液态金属作用下的激光焊接熔池动态行为数值模拟的研究现状进行了分析和概括,以期为激光焊接熔池数值模拟方面的研究提供参考。     

焊接熔池数值模拟的研究现状

焊接是一个非常复杂的物理、化学过程,利用数值模拟能够详细反映出焊接过程中的一系列变化,国内外学者已在流体动力学熔池模型研究中取得显著进展。弧焊和激光焊是两种广泛采用的焊接方法,综述了这两种焊接方法熔池数值模拟的研究现状,通过分析现阶段模拟现状,为进一步研究提供引导。     

搅拌摩擦焊接产热传热过程与材料流动的数值模拟

搅拌摩擦焊接过程中的产热、传热与塑性材料流动行为直接决定了焊接接头的组织演变及力学性能。对这些物理现象开展数值模拟研究,对于深入理解搅拌摩擦焊接过程的物理机制和优化焊接工艺具有重要意义。本文综述了搅拌摩擦焊接过程产热、传热与材料流动数值模拟的国内外研究现状,指出了存在的主要问题。介绍了作者课题组近年来针对这些问题所开展的研究工作。根据搅拌头-工件界面上的受力特点,研发出了黏着系数和摩擦因数的测试-计算法,为提高数值模拟的精度奠定了基础。建立了针对复杂截面形状搅拌针的搅拌摩擦焊接过程数学模型,数值分析了3种典型搅拌头情况下焊接过程中的产热率、温度分布和塑性流动行为。建立了包含下压、停留、焊接及冷却4个阶段的搅拌摩擦焊接全过程的传热-流动耦合模型,模拟了焊接过程各阶段的产热、温度场和塑性材料流动的演变情况。在此基础上,对搅拌摩擦焊接过程数值模拟领域未来的发展趋势进行了展望,提出了下一步的研究重点。     

基于ANSYS有限元对双丝焊焊接的三维温度场模拟

焊接热过程是一个动态热循环过程,涉及到电弧变化、材料冶金和化学、传热、传质和力学性能改变的复杂过程,在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形,影响焊接结构的制造精度、强度、韧性和使用性能。焊接三维数值模拟研究的现实意义在于:全面预测影响残余应力与变形的各种因素及其影响规律,达到优化焊接结构设计和工艺设计,控制焊接应力及变形,焊接数值模拟技术已成为目前国内外发展的重要方向。     

国内外电子束钎焊及其数值模拟研究动态

综述了国内外电子束钎焊的研究概况,以及电子束钎焊温度场及应力场数值模拟的研究发展动态。简述了电子束钎焊的应用及国内外研究者在电子束钎焊热过程研究中已取得的部分成果,指出数值模拟技术在电子束钎焊热作用过程研究中的重要作用。但是,由于数值模拟研究方法使用中对问题的抽象与简化,使得对实际复杂焊接结构的计算精度还有待提高。特别是鉴于电子束钎焊过程的快速高效局部热作用,开展其应力场以及结构应力缓和控制方面的深入研究就显得尤为重要。     

铝合金点焊的多场耦合建模与动态过程数值模拟(英文)

基于铝合金点焊的热、机、电及相变原理,建立热电力耦合场的轴对称有限元数值仿真模型,实现对焊接区温度场、电场、应力应变的动态模拟。发现了焊接电流变化激发的铝合金动态电阻"瞬态逆向虚变效应",揭示了过程热电耦合瞬态与稳态差异性作用机理,阐释了焊接电流增加而瞬态电阻骤降的反常现象。基于铝合金点焊稳态仿真与实验结果修正了动态电阻数值计算模型。AA5182的计算与实验结果表明,考虑动态电阻"瞬态逆向虚变效应"的动态仿真模型能够精确描述焊接电流调整过程中的电参数动态变化和铝合金焊点熔核的生长过程。     

电阻缝焊数值模拟研究进展

电阻缝焊过程的热影响区随着滚轮电极的旋转而不断移动,熔核彼此搭迭,形核过程处于封闭状态且无法观测,焊接参数及性能比点焊更加难以准确计算. 数值模拟作为一种功能强大的分析手段,解决了电阻缝焊领域中传统分析方法无法解决的问题,越来越受到焊接研究人员的重视. 文中综述了国内外近几年来的研究成果,对比了电阻缝焊与电阻点焊的特点,总结出电阻缝焊过程中电流场、温度场、应力场(应变场)三大领域的数值模拟方法,以及焊后焊缝形状、焊缝跟踪、无损探伤等智能控制技术,并对这些方法的原理进行了分析和探讨,提出开发多参数、多变量综合数学模型是将来电阻缝焊数值模拟技术的研究重点. 此外,指出发展与先进的在线实时监控系统及无损检测技术相适应的数值模拟技术将是电阻缝焊重要的研究方向.     

On the thermo-mechanical loads and the resultant residual stresses in friction stir processing operations

In friction stir welding and processing both a thermal flux and a mechanical action are exerted on the material determining metallurgical evolutions, changes in the mechanical behaviour and a complex residual stress state. In the paper, the metallurgical changes are examined through numerical simulation and experiments to highlight and distinguish the effects of thermal and mechanical loadings. A particular focus is made on the residual stresses generated during the stir processing of AA7075-T6 aluminium blanks. The predictions of FE model are validated by experimental measurements. Lastly, this paper presents an in-process quenching of the processed blanks for improved mechanical properties and microstructure.     

基于ABAQUS平台对球冠结构焊接变形的数值试验

球冠结构在焊接过程中产生的焊接变形是关系到结构安全性能的重要指标.为了保证球冠焊接构件的可靠性,准确推断球冠结构焊接变形,有必要针对球冠结构的焊接变形进行数值试验分析.基于大型有限元软件ABAQUS开发相应的焊接程序,对焊接过程中温度场、结构变形进行了数值模拟,并将模拟结果与相关理论值及试验值进行对比分析.结果表明,数值试验结果与理论结果基本吻合,满足工程要求.在此基础上,对球冠结构的焊接过程进行三维有限元分析,得到了球冠结构焊接变形随球冠壁厚、焊接坡口形式及焊接顺序的变化规律,为控制结构的焊接变形提供了依据.     

结构件焊接温度场和应力应变数值模拟研究进展

随着计算机技术的发展,焊接过程的三维数值模拟技术的研究逐渐成为焊接领域的前沿,受到越来越多的研究者关注。但是焊接结构件的温度场和应力应变场方面的数值模拟,计算量庞大,耗时严重,对计算机配置要求较高,通常要求在保证计算精度的前提下,尽可能地提高计算效率。综合该领域的大量研究成果,重点介绍不同的焊接热源和建模方式对焊接模拟计算结果的影响,在保证计算结果准确性的前提下,运用简化模型的方法可减少计算时间,提高计算效率。     

环形结构激光焊接凝固热裂纹的实验研究和数值模拟

以激光焊接平面环形结构时,在首尾段重叠焊接部分发生的凝固热裂纹为例,采用实验和数值模拟相结合的手段,从冶金和力学2个方面综合研究了环形焊缝凝固热裂纹的发生机理.对凝固热裂纹附近的微观组织进行观察,并用电子背散射衍射对裂纹附近晶粒尺寸进行测量,发现重叠焊缝中心部位晶粒粗大,而粗大晶粒导致焊缝金属凝固时韧性下降.利用有限元...     

活性SiO2在焊接熔渣-金属界面化学反应的热动力学分析

针对焊接熔渣-金属冶金反应远离平衡的特性，从非平衡态热力学及液-液两相交互作用耦合的角度建立了液态熔渣组成中SiO2与熔敷金属间的化学反应热动力学模型。对建立的模型通过试验测试，并借助于Matlab工具软件进行了非线性数值求解。定量计算结果表明，焊接过程各区域的冶金反应方向及限度存在明显的不同，熔滴反应区正向氧化反应偏离平衡态的距离远大于熔池反应区逆向脱氧反应偏离平衡的距离。同时反应所处的温度及熔渣中SiO2含量都在一定程度上影响反应的方向及限度，从而对焊缝金属的增氧产生重要影响。     

Numerical and experimental study of phase transformation in resistance spot welding of 6082 aluminum alloy

Resistance spot welding(RSW) is an efficient and convenient joining process for aluminum alloy sheet assembly. Because the RSW has the character of energy concentration and quick cooling rate, the microstructure transformation of the base metal can be confined in the least limit. The material properties and the welding parameters have significant effects on thequality of the nugget. To predict the microstructure evolution in the melted zone and the heat-affected zone, an electrical, thermal, metallurgical and mechanical coupled finite element model is described and applied to simulate the welding process of the 6082 aluminum alloy. Experimental tests are also carried out. The comparison between experimental and numerical results shows that the adopted model is effective enough to well interpret and predict some important phenomena in terms of the phase transformation in spot welding of 6082 aluminum alloy.     

Study of keyhole closure and analysis of microstructure and mechanical performance of weld joints for variable polarity vertical up plasma arc welding process

Abstract

Two technical approaches for keyhole closure were conducted. Workpieces of aluminium alloy 2219 were welded using variable polarity vertical up plasma arc welding technology. Effects of welding process parameters on keyhole closure were analysed. Appropriate technical criteria for keyhole closure in the welding of aluminium alloys (3 or 6 mm in thickness) via the variable polarity vertical up plasma arc welding technique were obtained. Experimental simulation of girth welding (overlap welding) was conducted using the appropriate process parameters for the keyhole closure stage of plate butt welding, and the feasibility of circumferential welding was verified. Accordingly, girth welding of the external tank of a carrier rocket was achieved using the appropriate parameters for the keyhole closure technique. In addition, the metallurgical process and mechanical performance for the single pass and overlap welds were analysed and compared.     

不预热情况下的紫铜TIG焊熔池温度场的数值模拟

焊接过程是一个迅速而又极不均匀的物理化学冶金过程,焊接熔池一直是焊接模拟的一个重要领域.根据能量守恒的基本原理和钨极氩弧焊(TIG)工艺的特点,建立了运动电弧作用下紫铜非稳态TIG焊接熔池形态的数值分析模型,分析中引入了热焓的概念和表面双椭圆分布的热源模型,较好地满足了TIG焊接数值模拟的要求.在不预热的情况下采用Ar N2对厚壁紫铜进行了TIG焊接的研究,并在不同工艺参数下将试验值与计算值进行了比较.结果表明,计算的结果与实际测量的结果较为吻合,证明了模型的可靠性和正确性.