不锈钢穿孔等离子弧焊热源模型的探讨

根据K - PAW“倒喇叭”状的焊缝形状特点和热流沿工件板厚方向分布的特点,讨论了计算K- PAW温度场的组合式体积热源.通过比较热源组合模式,得到适合于K - PAW的组合式体积热源作用模式,即沿板厚方向,工件的上部采用双椭球体热源,下部为中心轴热流峰值线性递增的圆柱体热源,计算结果与试验结果吻合良好.同时讨论了能量分配系数γ1和γ2的选取及热源作用高度C和H的选取对焊接温度场的影响.结果表明,热源参数选择不合适会导致一个热源的作用淹没另一个热源的作用.     

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.     

激光+GMAW复合热源焊焊缝成形的数值模拟Ⅱ.组合式体积热源的作用模型

根据激光 脉冲GMAW电弧复合热源焊焊缝横断面的形状特点,从宏观的传热过程出发,提出了4类新颖的、适用的组合式体积热源的作用模式.将电弧热、熔滴热焓和激光热能分别描述为双椭圆分布,双椭球体分布和峰值热流递增-曲面旋转体分布.将适用的组合式体积热源作用模式应用于复合焊的温度场数值分析,计算出了不同工艺条件下的复合焊焊缝形状尺寸,与实测结果进行了对比,两者吻合情况良好.所建立的4类组合式体积热源充分考虑了复合焊的工艺特点,对焊缝形状尺寸的数值模拟精度较高,能定量体现温度场的变化规律.     

激光深熔焊体积热源模型计算精度的比较

通过激光深熔焊焊缝横断面形状、尺寸进行模拟计算,定量分析比较了目前具有代表性的激光焊体积热源模型的计算精度.研究结果表明,双椭球体热源、高斯旋转体热源和热流峰值线性递增-柱状热源模拟焊缝形状的精度较差:而三维锥体热源和热流峰值指数递增-锥体热源在模拟激光深熔焊焊缝形状和尺寸方面都具有较好的精度,且后者由于考虑了激光热流在焊件厚度方向的分布特征,其热流分布区域更接近实际焊接过程,模拟精度也更高.     

组合热源模型在焊接数值模拟中的应用

对不同焊接热源的特征要素进行分析,焊接数值模拟中采用高斯面热源和双椭球体热源处理焊接加热问题均不能准确地反映焊接熔池形状.文中提出焊缝表面高斯热源和焊缝内双椭球体热源结合的组合热源模型,其熔池与实际焊缝熔合线吻合.应用上述三种热源对马氏体不锈钢平板对接电弧焊的温度场及应力场进行了数值模拟.结果表明,使用组合热源进行数值模拟较之单独使用高斯或双椭球热源的残余应力计算值与实测值吻合度更高.     

焊接理论——一般问题

20095032 组合热源模型在焊接数值模拟中的应用／盖登字…／／焊接学报。-2009,30（5）：61-64,68 对不同焊接热源的特征要素进行分析,焊接数值模拟中采用高斯面热源和双椭球体热源处理焊接加热问题均不能准确地反映焊接熔池形状。提出焊缝表面高斯热源和焊缝内双椭球体热源结合的组合热源模型,其熔池与实际焊缝熔合线吻合。     

焊接理论——一般问题

20095032 组合热源模型在焊接数值模拟中的应用／盖登字…／／焊接学报。-2009,30（5）：61-64,68 对不同焊接热源的特征要素进行分析,焊接数值模拟中采用高斯面热源和双椭球体热源处理焊接加热问题均不能准确地反映焊接熔池形状。提出焊缝表面高斯热源和焊缝内双椭球体热源结合的组合热源模型,其熔池与实际焊缝熔合线吻合。     

不同热源模型对Q345中厚板焊接温度场的影响

采用ANSYS有限元分析软件,分别以双椭球热源模型和均匀体热源模型对Q345中厚板多层焊的温度场进行模拟,以研究不同热源模型的作用特点及其对焊接温度场的影响。结果表明:在相同的焊接条件下,均匀体热源和双椭球热源的温度场基本一致,采用均匀体热源的焊接熔池也呈椭球形。与椭球热源相比,采用均匀体热源模型的温度场仿真结果更符合实际。但采用均匀体热源时,焊缝起始位置的温度偏低。因此,在焊接温度场仿真过程中,焊接的起始位置采用双椭球热源,其它位置采用均匀体热源,是一种较为理想的焊接能量施加方式。     

高强钢T型接头MAG焊接温度场研究

采用双椭球热源模型,对S690高强钢T型接头焊接温度场进行数值模拟,并通过搭建MAG焊接温度场测试平台,验证焊接温度场的仿真结果,研究了焊接速度对高强钢焊接温度场、熔池形状和热循环曲线的影响。结果表明:模拟所得的焊缝峰值温度和跟踪点400℃以上的焊接热循环曲线与试验结果较吻合,验证了所选的双椭球热源模型的合理性。随着焊接速度增加,焊缝金属的温度梯度变小,焊缝的熔宽、熔深和余高减小,同时焊缝峰值温度变小。     

铝合金T型接头激光+GMAW复合热源焊温度场的有限元分析

从宏观传热学出发,综合考虑焊缝横断面形状特点及接头形式对焊接热流的影响,建立了适用的T型接头激光+GMAW复合热源焊的组合式热源模型.利用双椭球体热源模型描述电弧热流和熔滴热焓,采用热流峰值指数递增-锥体热源模型表征激光热输入,并通过坐标系转换的方法旋转热源模型,以考虑焊枪倾斜对焊接热流分布的影响,推导出适用于T型接头复合焊的热源模型表达公式,从而简化了T型接头焊接数值模拟中的模型加载过程.将所建立的模型用于不同焊接条件下铝合金T型接头激光+GMAW单侧双面焊接焊缝形状和尺寸的模拟计算,计算结果与实验结果吻合较好,从而证明了模型的准确性和适用性;利用该模型计算了铝合金T型接头复合焊近缝区不同位置的热循环曲线,分析了铝合金T型接头复合焊热循环特征,为其组织和性能的预测奠定了基础.     

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.     

Finite element analysis of keyhole plasma arc welding based on an adaptive heat source mode

An adaptive heat source mode is proposed to account for the keyhole effect and the characteristics of volumetric distribution along the direction of the workpiece thickness. Finite element analysis of the temperature field in keyhole plasma arc welding is conducted and the weld geometry is obtained. The predicted results are in agreement with the measured ones.     

激光＋GMAW复合热源焊焊缝成形的数值模拟——I．表征激光作用的体积热源分布模式

为了建立激光＋GMAW电弧复合焊接的体积热源作用模式,根据激光深熔焊接的焊缝形状特征,分析了激光焊接的热源作用特点,提出了4类新的体积热源分布函数．建立了激光焊接温度场的数值分析模型,计算出了4类体积热源模式下的激光焊缝形状尺寸,与实测结果进行了对比．发现提出的4类体积热源模式能够较好地对激光焊接过程中激光热源对焊缝成形的作用进行表征,是恰当的和适用的．     

Analysis of keyhole geometry in plasma arc welding

The key problem for numerical simulation of plasma arc welding （PAW） process is to develop a suitable and adaptive volumetric heat source mode which reflects the physical characteristics of keyhole PAW. To this end, the keyhole geometry under different PAW process conditions must be predicted. In this paper, a mathematical model for determining the keyhole shape is developed with considering the mass and momentum conservation of the in-keyhole plasma jet as well as the pressure equilibrium at the plasma jet/liquid metal boundary. A suitable heat source model related to the keyhole shape is applied to the calculation of PAW weld dimensions. The predicted results are in good agreement with the experimental ones.     

激光+GMAW复合热源焊焊缝成形的数值模拟III.电弧脉冲作用的处理与热源模型的改进

针对激光+脉冲GMAW复合焊时电弧脉冲的热作用特点,将电弧热流处理为脉冲电流和基值电流阶段分布参数不同的双椭圆模式,同时适当减小焊件表面的热导率,以间接考虑脉冲电流和基值电流的间歇式作用.根据平均焊接电流大小确定熔滴热焓椭球体分布的作用区域,并考虑激光热源的作用位置.从以上几方面对前期研究采用的热源模型进行了改进,建立了两类新的适用于复合焊的组合式体积热源模型.利用改进后的热源模型对不同工艺条件下复合焊的焊缝横断面形状尺寸进行了模拟计算.计算得到的熔深、熔宽以及熔合线走向都与实验结果吻合,使数值模拟精度有了较大提高.     

铝合金激光-MIG复合焊熔滴对匙孔作用的模拟

采用CMOS高速摄像机检测和分析铝合金熔化极气体保护焊(MIG焊)熔滴过渡行为,确定MIG焊熔滴的过渡频率和速度. 在理论分析MIG焊热源特性、热作用模式以及焊缝形貌前提下,从宏观焊接热过程出发,提出并开发了适用于MIG焊的组合体积热源分布模式,MIG焊电弧被处理描述为经典的双椭球体热源模型,熔滴能量作用模式被表示成均匀球体热源模型. 同时,在均匀球体热源模型中加入了熔滴热能和动能,实现了熔滴对MIG焊熔池冲击作用的影响. 基于上述热源模型,建立了铝合金MIG焊温度场有限元模型,对厚板铝合金MIG焊温度场进行了模拟. 结果表明,模拟获取的焊缝熔合线走势及形貌和实际焊接结果相吻合,证明开发的热源模型能够准确描述MIG焊指状熔深特性和热传导过程.     

基于改进热源模型的铝合金MIG焊数值分析

采用CMOS高速摄像机检测和分析铝合金熔化极气体保护焊(MIG焊)熔滴过渡行为,确定MIG焊熔滴的过渡频率和速度.在理论分析MIG焊热源特性、热作用模式以及焊缝形貌前提下,从宏观焊接热过程出发,提出并开发了适用于MIG焊的组合体积热源分布模式,MIG焊电弧被处理描述为经典的双椭球体热源模型,熔滴能量作用模式被表示成均匀球体热源模型.同时,在均匀球体热源模型中加入了熔滴热能和动能,实现了熔滴对MIG焊熔池冲击作用的影响.基于上述热源模型,建立了铝合金MIG焊温度场有限元模型,对厚板铝合金MIG焊温度场进行了模拟.结果表明,模拟获取的焊缝熔合线走势及形貌和实际焊接结果相吻合,证明开发的热源模型能够准确描述MIG焊指状熔深特性和热传导过程.     

小孔等离子弧焊接热场的有限元分析

根据小孔等离子弧焊接的工艺特点，建立了相应的热源模型和焊接热场的分析模型。数值模拟结果表明，一般的双椭球体热源和三维锥体热源不能准确描述小孔等离子弧焊接热过程。提出了改进型的三维锥体热源模型，可以较准确地计算焊缝的正面和背面熔宽，但熔合线走向的计算精度仍较低。在此基础上，考虑等离子弧对熔池的热-力作用，建立了符合小孔形态的热源模型，对小孔等离子弧焊接热场进行了有限元分析，计算出的小孔等离子弧焊缝形状与试验结果吻合良好。