The numerical analysis of thermal effect and weld shaping of DE-GMAW under composite heat source

The action of the composite heat source model in DE-GMAW has been carried out according to the characteristics of the DE-GMAW process,and the distribution of surface and body heat source was analyzed.The weld temperature field distribution has been derived from the appropriate boundary conditions and the thermal physical property parameters by COMSOL software.The effects of the positions of the surface and body heat source on the crosssectional shape were investigated by studying the experimental welding thermal cycle curve.The simulated results are fully compliant with the experimental data under the same conditions.This illustrates that the composite heat source model is correct.It reflects the thermal mechanism of DE-GMAW process,and reveals the internal influence of weld shaping.     

基于有限元分析对新型DE-GMAW焊缝尺寸预测

DEGMAW将一个TIG焊枪与一个MAG焊枪相组合,利用TIG焊的旁路,分流一部分通过焊丝的焊接电流,在保证焊缝熔敷率的同时,减小作用于母材的热输入,是一种低成本的高效焊接方法.对DEGMAW进行有限元计算,定量分析焊接温度场与焊缝形状尺寸,将为该新工艺的参数优化提供基础数据.针对DEGMAW的特点,对SYSWELD软件进行相应扩展,给出了对焊缝余高部分的简化处理方法,提出了相应的焊接热源作用模式,建立了DEGMAW热过程的有限元模型.对DEGMAW工艺条件下的焊接过程进行了有限元分析,得出了焊缝横断面尺寸以及周围的热场分布,并将计算与实测结果进行了比较,为DEGMAW工艺优化提供了依据.     

GMAW焊接熔池形状和表面变形的数值模拟

采用双椭球体热源分布模式,把过热熔滴带入熔池的热焓量处理为特定区域的均匀热源,建立了运动电弧下GMAW焊接热过程的数值分析模型.利用Visual For-tran编写数值计算程序,预测了从电弧引燃到准稳态过程中焊接熔池形状和熔池自由表面变形的动态演变,并进行了对比试验.基于数值模拟和工艺试验结果,可以看出达到宏观准稳态时计算所得的焊缝形状尺寸与试验结果基本吻合,因此验证了所建模型和采用的计算方法是正确、可靠的.     

GTAW熔池形状数值模拟精度的改进

采用高斯分布或双椭圆分布热源模式对GTAW熔池形状的数值模拟中发现,计算得到的熔池尾部形状与实际情况有较大差别.文中分析了误差产生原因,提出了数值模拟程序设计中如何确定热源在工件上作用区域计算半径的三个原则.解决了计算结果中熔池尾部后拖不足的问题,提高了GTAW熔池形状数值模拟精度.     

Toughness evaluation of a shielded metal arc carbon-manganese steel welded joint subjected to multiple post weld heat treatment

This study was part of a program to investigate the influence of multiple post weld heat treatment (PWHT) on the fracture toughness and defect tolerance of a welded joint. The present work reports base metal data obtained for a quenched and tempered BS7191 Grade 450EM steel (0.10wt%C–1.08wt%Mn), weld metal data for a ferritic multipass weld obtained by shielded metal arc welding using an AWS E9018M type electrode, and heat affected zone (HAZ) data obtained using a modified bead on groove technique for different PWHT conditions. The effect of the repeated heat treatment cycles on the mechanical properties was evaluated by hardness tests and toughness testing assessed by Charpy V-notch and crack tip opening displacement (CTOD) techniques. The characterization of the microstructure was undertaken utilizing optical and electron microscopy. As fabrication codes for new equipment do not allow more than three PWHT cycles, the application of more cycles is only justifiable for old equipment when a fitness for purpose criterion is applied and these restrictions are not applicable. The results obtained are currently applied in repair work and revamps of pressure vessels and gas storage tanks.     

Numerical analysis of weld pool geometry in pulsed current plasma arc welding

Numerical analysis of weld pool shape and size is of great significance for selection and optimization of the process parameters in pulsed current plasma arc welding (PAW). In this paper, a mathematical model and relevant algorithm are developed to determine the temperature profiles and weld pool geometry in pulsed current PAW through employing an adaptive heat source model. The volumetric heat source consists of semi-ellipsoid at upper part and a conic body at lower part along the workpiece thickness direction. The dynamic variation features of weld pool shape during a pulse cycle are numerically simulated. The calculated weld cross-section is consistent with the measure one.     

双椭球热源参数的敏感性分析及预测

双椭球模型是在电弧冲击力较大的情况下常用的热源模型.通过研究双椭球热源模型的参数对焊接熔宽、熔深的影响,获得双椭球热源模型的形状参数在埋弧焊中的敏感性.并为了研究特定熔宽与熔深情况下对应的热源模型参数,采用多元回归分析,提出了敏感性分析的经验公式,获得了熔宽熔深与热源参数之间的关系.通过回归获得的经验公式,可以在已有熔...     

旋转电弧窄间隙焊温度场和侧壁熔深的数值模拟

针对旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝成形研究需要,采用Ansys软件对旋转电弧窄间隙MAG焊接温度场进行数值模拟,研究焊缝成形的影响因素.考虑旋转电弧窄间隙MAG焊特点,实现热源模型旋转加载和旋转电弧窄间隙焊接三维温度场数值计算,模拟温度场结果与试验焊缝形貌吻合良好.为进一步提高计算效率,根据热源等效和旋转电弧热源分布特点,提出了一种类似马鞍形圆环的等效热源,侧壁熔深模拟结果与实际较符合,且计算效率大为提高.研究结果为进一步的熔深控制和焊接变形研究奠定基础.     

镁合金真空电子束深熔焊接及焊缝成形数值模拟

对10mmAZ61镁合金板材进行了真空电子束深熔焊接数值模拟研究.考虑到焊接过程中高温金属蒸气等离子体的热效应及真空电子束焊接"匙孔"深熔热效应特征,建立了高斯面热源与双椭球体热源复合的移动热源模型,采用数值模拟的方法研究了镁合金真空电子束焊接温度循环特征及不同焊接工艺对焊缝成形的影响.结果表明,建立的复合热源模型能够获得电子束深熔焊接的效果,并可模拟不同焊接工艺下的温度场分布与电子束热源作用下的焊缝成形,这也证明了该模型在AZ61镁合金电子束平板焊接的热效应模拟中有较好的适用性.     

脉冲频数对pulsed DE-GMAW焊缝成形的分析

针对脉冲旁路耦合电弧焊（pulsed DE-GMAW）焊接过程中熔滴过渡和焊缝成形控制难题,基于高速摄像等在内的硬件系统和xPC的快速原型软件系统构成的试验系统,对不同的脉冲数量对熔滴过渡和焊缝成形的影响进行了分析.结果表明,在主路电流不变的情况下,随着双脉冲旁路电流的峰值脉冲数增加,自由过渡的次数增加;随着双脉冲旁路电流的基值脉冲数增加,短路过渡的次数增加.但较多的短路过渡次数会导致焊接过程不稳定,产生较大飞溅.在此基础上,确立了双脉冲旁路电流的双脉冲峰值脉冲数与基值脉冲数匹配来控制熔滴过渡方式,因此获得较好的焊缝成形.     

激光+GMAW复合热源焊接过程热-力耦合数值分析

从宏观的焊接热过程出发,根据激光+GMAW复合热源焊接的特点,提出了适用于复合热源焊接的“双椭球体＋峰值递增圆柱体”组合式体积热源分布模式;建立了激光+GMAW复合热源焊接过程的有限元模型,数值计算了焊接温度场和焊缝横截面的形状尺寸,计算结果与试验结果吻合良好,证明了组合式体积热源模型的合理性和适用性. 采用焊接温度场的计算结果,进一步对复合热源焊接和GMAW的焊接变形和残余应力进行了数值模拟和对比分析. 结果表明,在焊缝熔深基本相同的情况下,复合热源焊接的焊接热输入、焊缝熔宽、焊接变形和高应力区域范围等均比GMAW小. 研究结果印证了激光+GMAW复合热源焊接工艺的优越性,并为焊接工艺参数的优化提供了基础理论数据.     

纳米粒子堆垛模型及其热喷涂传热数值分析

将纳米粒子团聚大颗粒进行抽象处理,提出以理想堆垛结构为假设的纳米团聚颗粒模型。以ANSYS有限元软件为平台,模拟Al2O3-13%TiO2(质量分数)团聚纳米颗粒在热喷涂环境下的传热过程,分析传热时间、团聚颗粒直径和孔隙率等对传热的影响,并分析团聚颗粒在热喷涂传热后的组织结构差异。结果表明:在一定传热条件下,纳米团聚颗粒可以保持部分纳米粒子或长大为亚微米晶形态,且团聚颗粒直径越大,这类组织就越容易形成,而团聚颗粒孔隙率在0.48以下时,对组织形态的影响较弱。     

激光-等离子弧复合焊接熔池流动和传热的数值分析

建立了激光-等离子弧复合焊接过程中液相区、糊状区和固相区的统一模型,在模型中同时考虑了表面张力、热浮力和电磁力的作用,通过数值计算得到了熔池的速度场和温度场,重点研究了电磁力对熔池流动和传热的影响。结果表明,在熔池形成的初始阶段,表面张力对熔池中的对流和传热起主要作用,而电磁力的作用受到抑制,随着熔深增加,电磁力作用增强并引起涡旋,导致熔深和下表面熔宽增加。针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与实际相符合。     

激光-等离子弧复合焊接熔池流动和传热的数值分析

建立了激光一等离子弧复合焊接过程中液相区、糊状区和固相区的统一模型，在模型中同时考虑了表面张力、热浮力和电磁力的作用，通过数值计算得到了熔池的速度场和温度场，重点研究了电磁力对熔池流动和传热的影响。结果表明，在熔池形成的初始阶段，表面张力对熔池中的对流和传热起主要作用，而电磁力的作用受到抑制，随着熔深增加，电磁力作用增强并引起涡旋，导致熔深和下表面熔宽增加。针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与实际相符合。     

Temperature field analysis of main steam pipe under local post weld heat treatment

In local post weld heat treatment, the temperature difference is the criterion of the process. The temperature field in the main stream pipe under heal post weld heat treatment is simulated by finite element method. A close-loop control program-is designed to simulate the temperature field of two different pipes. Both the skin effect of induction heating and electro-thermal coupled effect are considered in the heating model. The local heat treatment temperature difference at the inner and outer side of the pipe is analyzed and the different convection conditions are also considered. The simulation results show that in appropriate induction heating process, the temperature difference in the pipe can be controlled within 30 ℃.     

激光/等离子电弧复合热源能量参数对钛合金焊缝成形的影响

在对钛合金激光/等离子电弧复合焊与单一激光焊的焊缝成形进行比较的基础上,研究了激光在复合等离子电弧后主要焊接工艺参数对焊缝成形的影响.结果表明,随激光功率增大和焊接速度降低,复合焊与单一激光焊焊缝的横截面形貌均由钉形向近X形转变.与单一激光焊相比,复合焊焊缝的余高和咬边较大.激光/等离子电弧"协同效应"随激光功率和焊接速度变化而不同,从而影响复合焊焊缝的熔宽和熔宽比.随焊接电流从零增大到60 A,焊缝熔宽略有增大,而焊缝熔宽比基本保持不变.     

网格尺寸对双椭球热源模型作用下焊接温度场计算的影响

文中以Q345E薄板对接焊焊接过程为研究对象,基于双椭球功率密度分布体热源模型,利用ABAQUS有限元软件建立其1/2模型,通过数值模拟研究了不同网格尺寸对焊接温度场的计算精度和计算效率的影响,结合数值积分计算,分析比较了不同网格尺寸下,理论热输入与实际热输入的差别,提出了适宜的网格尺寸.计算结果表明,随着网格尺寸的不断减小,收敛时间变长,CPU计算时间变长,焊接温度场的最高温度、焊接熔池的宽度和深度减小;当网格尺寸减小至双椭球功率密度分布热源深度方向长度的1/2时,理论热输入与实际热输入偏差较小,得到的焊接温度场最高温度、焊接熔池宽度和深度也趋于恒定.     

G115钢管埋弧自动焊焊缝冲击性能不足的原因分析及热处理修复措施

采用埋弧自动焊(SAW)对大口径厚壁G115钢管进行焊接,焊后经785℃回火后发现焊缝冲击吸收能量低于标准要求的最低值。通过对焊接方法、焊材及回火温度的分析和试验表明,焊缝的回火温度超出了熔覆金属的Ac₁点,产生不完全相变组织,且碳化物回溶、沉淀强化作用减少、马氏体亚结构和位错密度降低、析出相长大粗化等多种因素的交互作用最终造成了焊缝冲击性能的下降。采用1080℃×3 h正火+770℃×6.5 h回火的热处理修复后,焊缝的冲击性能得到大幅度的提升。     

热量自适应搅拌摩擦焊热源模型

当前采用的温度场热源数值模型在准确表征焊接过程材料性能和产热机制与温度变化关系上存在困难.依据摩擦学原理,以材料屈服强度ReL为产热基本参数建立新型热源模型,产热量随温度、材料性能改变,实现搅拌摩擦焊产热自适应过程,更准确地描述了搅拌摩擦焊过程物理现象的本质.温度场试验与模拟结果的比较表明,该热量自适应热源模型具有较高的计算精度.     

脉冲MAG-TIG双电弧打底单面焊双面成形机制分析

基于中厚板打底焊接存在着自动化程度及效率低的问题,采用脉冲熔化极气体保护焊-钨极氩弧焊(MAG-TIG)双电弧热源焊接对板厚为24 mm的Q235-B进行打底焊接单面焊双面成形工艺研究及机制分析. 结果表明,脉冲MAG-TIG双电弧热源打底焊接时,利用TIG电弧与MAG电弧间的电磁力来调节MAG电弧在熔池前端的加热位置,使得一部分电弧热量直接作用于钝边上;结合焊接电弧放电行为与熔池流动分析发现,打底成形稳定性最佳时,利用TIG电弧与熔池的剪切力使得液态金属向后方流动,熔池前端底部液态金属减少,易于平衡稳定,可获得熔透均匀、连续、稳定的打底焊缝背面成形.