321不锈钢角焊缝TIG焊接温度场分布3D有限元分析

采用焊接专用有限元分析软件研究了TIG焊接321不锈钢角焊缝的热过程,分析了不同热输入条件下的温度场分布、熔池形态,探索与接头适配的最优热源参数。采用试验方法验证了最优热源参数的可靠性,分析了相应热源参数下热循环曲线的特点。结果表明:基于仿真结果,取焊接电流为90 A、焊接速率为2.3mm/s进行实际焊接试验,焊缝横截面形貌的试验结果与模拟结果吻合良好,验证了所建立有限元模型的可靠性。     

2219铝合金中厚板爬坡TIG焊熔池温度场三维数值模拟

为了研究2219铝合金中厚板爬坡TIG焊熔池热场特征,建立了中厚板TIG焊温度场模型,进行爬坡TIG焊熔池温度场三维数值模拟,以及不同焊接工艺参数对温度场的影响数值分析,同时通过焊缝形状尺寸的测定以及热电偶测温,对模型及温度场数值模拟结果进行验证。结果表明,受熔池重力影响,厚板爬坡姿态下熔池热场长度要大于平焊姿态;爬坡TIG焊温度场受焊接电流、焊接速度影响明显,焊接电流增加或者焊接速度降低,均会导致温度场最高温度上升,熔池宽度和长度增加;测量的实际焊缝尺寸与熔池温度场数据和数值计算结果相符度高,建立的模型及爬坡焊温度场三维数值计算准确。     

7075铝合金电动自行车车架GTAW焊接过程温度场的三维有限元分析及工艺优化

采用焊接专用有限元分析软件对7075高强铝合金电动自行车车架GTAW焊接过程进行数值仿真,分析不同热输入条件下的温度场分布和熔池形态,探索其最优热源参数.结果表明:在最优热源参数下,达到准稳态时的熔池长度为10mm,熔宽为6mm,熔池最高温度不超过1100℃.此外,分析了最优热源参数下的焊接热循环特性.研究结果可为下一步预测焊接变形和残余应力的分布提供热学方面的理论借鉴.     

LY12CZ铝合金随焊锤击碾压工艺优化

针对生产现场大尺寸LY12CZ铝合金薄板(2500 mm×6000 mm×2 mm)拼焊制造过程中的热裂纹和焊接变形问题,采用自动TIG拼焊设备的动态随焊锤击碾压焊接技术对焊接工艺进行了优化.通过与常规焊接的焊接金相、力学性能试验和断口扫描电镜进行对比显示,通过工艺优化,随焊锤击碾压技术有效降低了焊接残余应力,减小了焊接变形,并使锤击碾压行为与焊接熔池的凝固过程相匹配,从而防止了LY12CZ铝合金热裂纹的产生.     

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.     

薄板铝合金激光深熔焊熔池流动数值模拟

针对薄板铝合金激光焊接过程,采用有限体积法开展熔池流动研究.建立了三维焊接熔池流动数学模型,并采用高斯旋转体热源表征激光束的热作用.在考虑与不考虑表面张力作用下,分别计算获得了焊接温度场、熔池流场和熔池形貌.基于计算结果,分析了温度场云纹图、熔池焊接热循环曲线、熔池速度场分布多视图.最后进行相同参数下的激光焊接试验,基于观察获得的焊接接头形貌,综合分析了模拟结果和试验结果.结果表明,所建立的模型和模拟方法是合理可行的.同时考虑Marangoni对流作用所计算得到的熔池和焊缝几何形状更加接近实际焊接接头.     

电弧力对TIG焊接熔池液面形态影响的数值模拟

在建立TIG焊接熔池液面三维形状模型基础上,对电弧力作用于熔池液面进行了表征,采用Surface Evolver有限元分析软件进行数值模拟,研究了电弧力对TIG焊接熔池液面三维形态的影响.得到了有电弧作用时,熔池的三维形态和熔池各液面参数随电弧力大小变化的规律.结果表明,在熔池形状一定时(正面、背面熔化区域半径和板厚一定),电弧力的作用深度增加会引起熔池上、下液面和固液面的表面积均增加,其中电弧力的大小对TIG焊接熔池的上液面影响程度大于下液面.这些分析结果为探讨TIG焊接熔池的各类问题提供了基础.     

铝合金变极性等离子弧焊接的工况适应性

为克服厚板铝合金穿孔焊接熔池极易失稳的难题,该研究从厚板焊接时电弧温度场出发,旨在探究厚板穿孔焊接熔池稳定性的机理。通过建立三维数值模型,研究了焊接母材厚度分别为5 mm和16 mm下变极性等离子电弧的温度场、流场和电流密度分布。结果表明,随着板厚的增加,变极性等离子电弧温度场分布发生改变,5 mm板厚电弧温度的衰减情况为线性,而16 mm厚板焊接的电弧温度衰减情况为二次型,使得温度变化更加复杂。变极性等离子弧焊接5 mm厚度铝合金时,整个小孔熔池的电流密度呈1.0 × 10⁶ A/m²以上,但是在焊接16 mm厚板铝合金时,相同电流密度仅达到小孔深度的12 mm处。该研究有望对实现大厚度铝合金稳定焊接,拓宽变极性等离子弧焊接应用范围提供理论指导。

     

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.     

纵向预拉伸增大铝合金焊接热裂纹倾向的分析

利用热弹塑性有限元方法对铝合金薄板壁TIG焊接进行了数值模拟计算,建立了分析模型,定量地描述了预拉伸载荷对熔池后方凝固金属产生的横向拉伸应力和应变在焊缝中心的分布情况,并进行了试验验证.分析得出,预拉伸载荷对于焊接刚形成的凝固连接处产生横向拉伸应力,该横向应力的存在从力学角度上增大了焊缝产生热裂纹的倾向,并且随着预拉伸应力的增加,产生的横向拉伸应力也随之增加,采用60,120,150和210 MPa应力时,试件在焊接试验时产生的热裂纹的长度分别为5.2,8.1,8.9和10.6 mm.试验结果表明了模拟计算结果的可靠性.     

基于复合热源模型的Al-Mg-Zn铝合金脉冲MIG焊接模拟

针对脉冲MIG焊接试验过程建立了复合热源模型,并采用有限元软件ABAQUS对板厚15 mm的Al-Mg-Zn铝合金进行了多层多道脉冲MIG焊接的传热过程数值模拟. 根据复合热源和单一双椭球热源进行计算对比. 结果表明,该组合热源可以较好的模拟脉冲MIG焊接不同道次的熔池形貌,并且降低热源校准难度. 同时,基于建立的复合热源模型,文中引入非线性弹性边界条件表征实际夹具工装,对脉冲MIG焊接过程的应力和变形分布进行仿真模拟,其中焊后变形分布规律和试验测量具有较好的一致性.     

铝钛异种合金电子束焊接接头缺陷分析

采用电子束焊接工艺对7075铝合金和TC4钛合金异种金属进行焊接,主要研究焊接缺陷的形貌特点、形成原因及控制措施。结果表明:在铝合金与钛合金异种金属电子束焊接头中出现气孔、裂纹、缩孔等缺陷,调整焊接工艺参数、改变束斑在异种母材上的相对能量分布可以消除气孔、裂纹等缺陷。同时延长焊缝金属冷却时间,使液态熔池及时补充凝固过程中产生的孔隙,利用表面焦点减小熔池体积,对焊缝内的缩孔有一定的改善。最佳焊接参数为:工作距离272 mm,电子束流18 mA,焊接速度20 mm/s,聚焦电流415 mA。试验为提高铝合金与钛合金异种金属电子束焊接接头质量提供了参考。     

铝合金TIG电弧横焊接头缺陷及控制

重型运载火箭燃料贮箱要求对铝合金进行立式装配焊接,TIG电弧横焊是能够较好满足制造要求的方法之一.对铝合金TIG电弧横焊接头的成形特点和焊接缺陷进行分析,利用平板堆焊试验研究焊接电流、焊接速度和焊枪角度对焊缝正面偏移量的影响,最后研究焊接电流频率对气孔缺陷的影响规律.结果表明,采用较小的焊接电流、较快的焊接速度有助于降低焊缝正面的不对称性,利用电弧分力可以抑制熔池下淌,焊接频率为100 Hz时气孔缺陷最少.结合上述试验结果提出了铝合金横焊缺陷的控制措施并进行了试验验证.     

铝合金爬坡TIG焊熔池失稳状态的视觉检测

对焊接过程中的熔池状态进行视觉检测是实现焊缝质量在线监测的重要手段. 针对中厚板铝合金爬坡钨极氦弧焊过程易出现的熔池失稳和成形缺陷问题,提出了一种基于熔池图像特征的钨极惰性气体保护焊(TIG)焊接状态监测方法. 基于构建的被动视觉传感系统,实现强弧光干扰条件下清晰熔池图像的获取. 提出了一种基于Otsu’s阈值分割和视觉显著性特征(VSF)的氦弧焊熔池图像处理算法,用于提取熔池图像的形态特征,并分析了所提取视觉特征与铝合金爬坡TIG焊过程稳定性的关系. 最后建立了支持向量机(SVM)模型实现熔池稳定性状态的在线识别. 结果表明,相对于熔池轮廓几何特征,熔池尾端熔融金属的形态特征能够更有效地反映出铝合金爬坡TIG焊过程中出现的熔池不稳定状态. 所建立的焊接状态分类模型在单一特征输入条件下,最高准确率达到95.94%. 所提出的实时检测方法为大型铝合金构件TIG焊缝成形缺陷的在线智能诊断与工艺优化提供了基础.     

交流磁场对铜/钢异种材料电弧焊接头组织性能的影响

以HS201纯铜焊丝为填充金属,对尺寸均为120L×60W×2H mm的T2紫铜板和Q235钢板进行磁场辅助TIG焊接试验,并对焊接接头的宏观形貌、组织结构、抗拉强度、显微硬度及断口形貌进行分析.结果表明:当焊接电流为95 A,焊接速度为95 mm/min,磁场电流为0.4～0.6 A,励磁频率为25～35 Hz时,交流磁场辅助铜钢TIG焊接接头表面成形和力学性能均表现较好,接头的抗拉强度随着磁场电流和励磁频率的增加均呈现先上升后下降的趋势,抗拉强度最高可达223.5 MPa,比无磁场提高了44.5％,熔合区硬度最高可达659 HV0.2,比无磁场时提高了10.2％.TIG焊接接头各区域硬度值排序为:熔合区＞钢侧热影响区＞焊缝区＞钢母材＞铜母材＞铜侧热影响区.添加交流磁场前后,TIG焊接接头断裂区由铜侧热影响区转移至焊缝区,断裂方式均为典型的韧性断裂.添加磁场后,熔合区和焊缝区组织均由(α-Fe)+(ε-Cu)的混合固溶体组成,且焊缝区组织细化,其均匀性明显提高,这主要是交流磁场对熔池的电磁搅拌作用,其搅拌过程为:Fe元素扩散到熔池、熔池顺时针搅拌、熔池逆时针搅拌和熔池凝固.     

基于高速摄像的铝合金TIG焊视觉基础研究

方波交流TIG焊是铝合金焊接中最常用的方法之一.利用高速摄像,系统分析了铝合金方波交流TIG焊电流过零前后及过零瞬间,焊接电弧和熔池的视觉特征.结果表明,在电流过零的瞬间,弧光辐射相对最弱,熔池边界特征清晰,是焊接熔池较理想的采像时间.     

熔透情况下三维TIG焊接熔池流场与热场的数值分析

建立了熔透情况下三维运动TIG焊接熔池中流体动力学状态及传热过程的数值分析模型。该模型考虑了试件全熔透情况下液态金属熔池表面的变形。采用贴体曲线坐标系处理熔池曲面,利用SIMPLER方法对不锈钢焊接试件熔池中的流场与热场进行了数值分析,并进行了焊接工艺试验对模型加以验证。结果表明,根据该模型得出的计算结果与实验值吻合情况良好。     

6082-T6铝合金补焊数值模拟

采用焊接仿真软件,对8 mm厚的6082-T6铝合金板进行了焊接及不同深度补焊的数值模拟,研究了焊接及不同深度补焊后的焊接残余应力分布状态,并通过焊接及疲劳试验等对模拟结果进行了试验验证。仿真计算结合试验结果表明:铝合金补焊后焊缝及热影响区焊接残余应力显著增加,补焊深度2、5、8 mm的峰值应力比焊接的分别提高了26%、28%、19%;补焊深度2 mm与补焊深度5 mm的接头焊接残余应力分布状态基本相似,补焊深度为8 mm的接头高应力区宽度明显增加;随着补焊层道数增加,接头抗拉强度略有降低且焊缝抗疲劳性能下降,试验结论与仿真计算结果一致。     

氧元素分布模式与AA-TIG焊熔池形貌的数值模拟

文中结合电弧辅助活性TIG焊熔池氧元素分布的试验研究结果,提出焊接熔池表面氧元素分别与熔池表面温度和位置相关两种分布模式,建立了更完善的电弧辅助活性TIG焊熔池模型,求解结果与已有的试验结果和理论研究吻合良好. 结合求解结果,利用格拉晓夫数G_r,磁雷诺数R_m和表面张力雷诺数M_a分析了浮力、电磁力和表面张力的相对作用大小; 利用Peclet数分析了熔池热对流和热传导的相对强弱. 结果表明,电弧辅助活性TIG 焊熔池表面张力作用远大于电磁力和浮力,并决定熔池流动形式;熔池热对流主导熔池的传热过程,揭示了不锈钢活性TIG焊活性元素决定深而窄的熔池形貌的内在本质.     

激光束入射方式对7A52铝合金焊缝成形的影响

利用5 k W光纤激光器采用激光前倾和后倾2种光束入射方式对10 mm厚7A52铝合金进行了焊接试验,探究激光束入射方式对铝合金焊缝成形的影响。对比分析了不同激光束入射方式获得的焊缝表面形貌、焊缝横截面形貌以及焊缝内部气孔情况,探讨了焊接过程中熔池的流动行为。试验结果表明:与激光前倾方式相比,采用激光后倾方式焊接时,焊接过程中熔池稳定性较好,所获得焊缝表面成形相对较好,焊缝深宽比相对较大,焊缝的气孔数量相对较少。因此,相同焊接条件下,采用激光后倾方式所获得的焊缝质量相对较好。