基于ANSYS的TA2板材等离子弧焊接有限元分析

采用ANSYS有限元软件模拟了4 mm厚TA2板材等离子弧焊接过程,计算分析了焊接过程中瞬态温度场分布特征,并在温度场的基础上采用热-应力耦合方法计算分析了TA2等离子弧焊接头应力场分布和焊件的变形特征。结果表明,接头焊缝形貌与实际焊接过程基本吻合,温度场分布呈椭圆形特征,并且在近焊缝处具有较高的温度梯度;焊件中应力呈现拉应力和压应力共存,在焊接过程的瞬态应力场中,热应力为主要因素,而在残余应力分布中,塑变应力为主要因素;焊接完成后的变形呈现角变形特征,最大变形量2.3 mm。     

核电站控制棒驱动机构Canopy焊缝焊接温度场和应力-应变场模拟

目的 研究机加工和拉拔2种成形方式下得到的填充环对Canopy焊缝的影响,获取焊接焊缝成形、焊接残余应力和变形的相关数据,以指导Canopy焊缝焊接工艺。方法 采用数值模拟的方法,建立Canopy焊缝焊接数值分析模型,模拟焊接温度场、焊接残余应力和焊接残余变形。结果 拉拔成形环焊接熔池高度为9 mm,机加工成形环焊接熔池高度为8.3 mm;机加工成形环焊接最大残余应力为255.6 MPa,而拉拔成形环焊接最大残余应力为277.8 MPa,均出现在管座紧贴焊缝的位置;机加工成形环焊接残余变形为0.19 mm,拉拔成形环焊接残余变形为0.186 mm,最大残余变形均出现在焊接起始位置附近,在焊缝与管座交接的位置。结论 熔池形貌直接影响了热影响区域的大小,拉拔Y型环焊接熔池高度更大,焊接的热影响区域更大;拉拔Y型环焊接残余应力略大于机加工Y型环焊接残余应力;机加工成形环和拉拔成形环焊接残余变形相近。     

Ti2AlNb合金电子束焊接头残余应力及变形的数值模拟

目的 研究平板对接电子束焊接过程中Ti2AlNb合金接头的残余应力及变形规律。方法 采用高斯圆柱体和高斯面组合热源模型模拟了6.6 mm厚的Ti2AlNb合金平板对接电子束焊过程,对比研究了高焊速高束流和低焊速低束流2种工艺参数下焊接接头的残余应力和变形分布规律,并用小孔法测量了焊缝中心及距焊缝中心10 mm位置的残余应力值。结果 在高焊速高束流参数下,获得了熔池体积小、熔池宽度窄(为3.62 mm)、深宽比高的焊缝;在该参数下焊缝横截面上的高应力集中区(应力在900 MPa以上)尺寸较小,其宽度仅为低焊速低束流参数下的89%;同时,在高焊速高束流参数下,焊缝法向变形最大值为0.79 mm,低于低焊速低束流参数下的0.82 mm;模拟计算所得残余应力与实测值的误差在5.64%以内。结论 高束流高焊速工艺具有热输入小、热量集中、加工效率高的特点,有助于获得高应力集中区域小、深宽比高、变形小的焊缝,比低束流低焊速工艺更具优势。     

TC4钛合金激光焊接应力变形有限元分析

基于ANSYS有限元分析软件,采用三维移动热源,对TC4钛合金激光焊接残余应力和变形进行了数值模拟和实验研究.结果表明:钛合金激光焊接产生很大的纵向残余应力,而横向残余应力较小.激光焊接线能量增加时,纵向残余应力拉伸区域变宽,峰值应力降低;而横向残余应力随线能量的增加而升高.在临界焊透规范以上焊接时,随焊接线能量的增大,角变形随之而减小,而横向收缩变形增大.焊件被完全穿透时,线能量对角变形的影响作用降低.钛合金激光焊接变形和残余应力实验结果与数值计算结果吻合性较好.通过焊缝金相实验分析了焊接残余应力和变形与线能量的内在关系.     

铝锂合金电子束焊接数值模拟分析及工艺优化

采用组合热源模型对Al-Li合金电子束焊接温度场分布进行数值模拟分析,通过热-力耦合,模拟计算得到接头区域的残余应力分布.结果表明,Al-Li合金电子束焊接温度场沿焊接方向呈椭圆形分布,电子束热源中心的温度最高,其附近区域的等温线分布密集,随着与热源中心的距离增大,等温线分布逐渐稀疏,焊缝区存在较大的温度梯度,较好地模拟出了电子束焊缝的钉形分布特征.接头的残余应力分布模拟结果显示,残余应力主要集中于焊缝区,由于修饰焊的热作用,焊缝上部具有相对较大的应力值.利用模拟计算得到的结果进行焊接工艺及参数优化,焊接工艺试验表明,试验焊缝形貌与模拟熔池形貌相吻合,进一步验证了模拟计算结果的可靠性.     

预拉伸控制铝合金焊接变形

在预拉伸应力作用下,焊接了厚度为4mm的5A05铝合金试板,通过焊接试板挠曲变形量的测定,探讨了预加拉应力对铝合金焊接变形的影响。试验结果表明,预拉伸焊接法可以有效减小铝合金薄板焊缝处的纵向挠曲变形量,在弹性应力范围内,随着预拉伸应力的增大,试板的焊接变形逐渐变小。初步分析认为,预拉伸应力扩大了高温下焊缝附近的塑性变形区,从而增强了冷却过程中该区域抗塑性拉应变的能力,减小了焊件的挠曲变形。     

机械挤压矫正焊接变形的模拟与试验研究

利用自制的夹具对机械挤压矫正薄板焊接变形的效果进行了试验研究.采用有限元分析方法对常规焊件和机械挤压焊件的应力应变场及残余变形进行了模拟.试验和模拟结果均表明,对焊件施加平行于焊缝方向的纵向挤压力能够有效矫正薄板焊件的失稳变形.在适当的挤压力下,在远离焊缝的区域产生了纵向压缩塑性应变,而焊缝区由焊接过程导致的塑性应变值没有发生变化.机械挤压法能够降低薄板焊件焊缝区的纵向拉应力水平是其能够矫正焊接失稳变形的原因.     

基于机器学习的薄板等离子弧搭接焊的熔深预测

在等离子弧搭接焊中,搭接焊接头的焊缝熔深是评价焊接质量的关键指标之一,而焊接过程中的热输入信息和熔池图像信息都与焊缝熔深有密切关系。本文通过建立304L不锈钢薄板等离子弧搭接焊数据采集系统,利用LabVIEW实时检测电信息,采用视觉传感技术实时获取薄板等离子弧搭接焊过程中的熔池图像,并通过图像处理方法获得熔池的几何参数信息,结合焊接工艺参数,选择峰值电流、峰值电压、焊接速度、离子气流量、保护气流量、熔池宽度和熔池后端长度作为输入量,焊缝熔深作为输出量,建立了基于支持向量机回归和BP神经网络的熔深预测模型。实验验证表明,采用径向基函数的支持向量机回归模型可以有效地对焊缝熔深进行预测,并具有很好的泛化能力,可为进一步实现在线优化焊接工艺参数提供依据。     

焊接顺序对T型接头残余应力及变形的影响

本文利用sireufact welding专用焊接软件,模拟了5种不同焊接顺序对T型焊缝残余应力及变形的影响,并得到了最优的焊接顺序。结果表明：残余应力和变形具有相反的变化趋势,先焊两端后焊中间分段焊法既可有效控制霹堕接头的残余应力,又可控制其变形量。     

船用高强钢薄板焊接成形研究

探究了不同焊接工艺对3 mm船用高强钢薄板焊接成形质量的影响.结果表明:3 mm对接试板经不同方法焊接后均呈马鞍形变化.焊条电弧焊和手工气保焊焊接的试板变形严重,且两者变形量和残余应力基本相当,药芯焊丝CMT(cold metal transfer)自动焊接试板的焊缝内部存在夹渣缺陷.利用实心焊丝CMT自动焊接试板的焊缝均匀、内部无缺陷,焊缝中心残余应力明显降低,其变形量平均值比焊条电弧焊减小37.8%,且线能量仅为焊条电弧焊的22.4%.焊接试板变形量与其线能量大小的变化趋势一致.     

TC4合金等离子–MIG复合焊过程温度场的数值模拟

目的 研究TC4合金在等离子-MIG复合焊(Plasma–MIG Hybrid Welding)过程中的温度场特性,探究不同电弧功率对熔池形貌的影响。方法 进行了2组4 mm TC4合金板堆焊试验,根据实验结果提出了一种改进的复合热源模型并进行了相应的仿真分析。结果 仿真与实验获得的焊缝截面相吻合;等离子电流的增大使熔池尺寸增大且余高减小,等离子电弧功率的变化对熔池宽度的影响相对较小。结论 等离子–MIG复合电弧对工件的热作用非常集中,更易实现深熔焊、焊接效率更高;所提出的热源模型适用于TC4合金等离子–MIG复合焊温度场模拟。     

不同焊接参数下CT70连续钢管高频电阻焊残余应力分布的数值模拟

目的研究CT70连续油管高频电阻焊接后的残余应力值和分布规律,以及焊接速度和挤压量等焊接参数对残余应力的影响。方法通过有限元计算的方法施加移动面热源和移动挤压辊,来模拟高频电阻焊的加热和加压过程,并用小孔法测量了高频电阻焊后连续钢管的残余应力值。结果对比计算的和实际的焊缝尺寸,均是内壁处为0.2 mm,壁厚中间部位为0.1 mm,内壁凸起高度为1.0 mm,宽度为2.1 mm,验证了有限元模型的准确性。计算得到的高频电阻焊后在焊缝处的轴向残余应力较大,在400～500MPa之间;环向残余应力较小,在-100～200MPa之间,与小孔法测量的残余应力一致。结论焊缝附近的残余应力主要由不均匀加热引起,远离焊缝处的残余应力主要由挤压引起。热源与挤压辊间距离和焊接速度增加会导致焊缝附近的残余应力增加;挤压量增加和焊接功率增加会导致焊缝附近的残余应力降低。     

基于Simufact的割草盘控制杆焊接成形质量控制研究

目的 保证割草机割草盘控制杆焊后的装配精度和尺寸稳定性.方法 采用Simufact Welding软件对割草盘控制杆焊接过程进行模拟仿真.通过建立合适的热源模型,得到焊后变形和焊接应力分布情况.结果 椭圆板焊缝处为焊接变形最大的区域,最大总变形量为0.73 mm;焊后最大等效应力为395.59 MPa,且沿焊缝两侧向外扩展,等效应力呈递减趋势.结论 通过工装优化方案,实现了焊后残余变形控制,最大变形量由0.73 mm降低到0.41 mm,且未引起焊接残余应力的上升,但焊后残余应力仍处于较高的水平,可通过焊后退火消除残余应力.     

等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊熔池流体行为研究

目的 研究等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊过程的熔池流体行为.方法 综合考虑传热学以及流体动力学,建立Fluent数值分析模型.使用双椭球–锥体热源模型代表等离子弧焊传热模型,用双椭球热源表征GMAW电弧传热并考虑熔滴传热,同时考虑熔池受到的电磁力、浮力、表面张力、等离子流力等作用力.基于Fluent软件,对复合焊过...     

反应堆压力容器接管安全端焊接残余应力模拟及其焊接参数优化研究

目的 针对反应堆压力容器接管安全端焊接残余应力较大易导致应力腐蚀开裂的问题,探究焊接工艺参数对焊接残余应力的影响,并寻找最佳工艺参数。方法 利用有限元参数化建模方法建立反应堆压力容器接管安全端的三维热-力耦合模型,模拟其焊接过程,研究焊接残余应力的变化情况。采用正交试验设计法分析了焊接电流、焊接速度及层间冷却时间对焊后最大等效应力的影响,建立了焊后最大等效应力与焊接电流、焊接速度及层间冷却时间的二次回归模型,基于该模型利用遗传算法寻优焊接参数。结果 焊接残余应力峰值靠近熔合区位置,残余应力较高,超过了材料的屈服应力;各参数按对焊后等效残余应力峰值的影响由大到小的顺序依次为焊接速度、焊接电流、层间冷却时间。正交试验所得最佳工艺参数如下：焊接电流为610 A,焊接速度为20 mm/s,层间冷却时间为400 s,经遗传算法进一步优化后所得的最佳参数如下：焊接电流为610 A,焊接速度为23 mm/s,层间冷却时间为427 s。通过仿真验证遗传算法优化结果,得到焊接残余应力的峰值为373 MPa,比未优化前减小了44 MPa。结论 优化后的工艺参数有效降低了焊接残余应力,提高了反应堆压力容器接...     

纯铝板搅拌摩擦焊温度场数值模拟

建立了搅拌摩擦焊热源模型,利用有限元分析软件ABAQUS模拟了搅拌摩擦焊的温度场,研究了焊接速度、搅拌头轴肩尺寸和垫板材质对搅拌摩擦焊接过程中试板的温度场的影响。结果表明：随着焊接速度的提高,焊件上各点的峰值温度降低,经历高温区的时间减少;轴肩摩擦热是热输入的主要来源,随着搅拌头轴肩尺寸的增加,焊缝中心高温区同一等温线上宽下窄的分布特征越来越明显;垫板材质明显影响焊件底部的温度和分布;适当的焊接参数、搅拌头尺寸及散热条件对获得较好的焊缝质量极为重要。     

基于Abaqus二次开发的天然气管道在役焊接热力耦合模拟

目的 研究直径、压力对天然气管道在役焊接温度场和径向变形的影响规律,并提高变参数分析的建模效率,减少大量重复操作。方法 以Abaqus软件为平台,利用Abaqus GUI Toolkit软件开发参数输入界面,利用Python语言编辑主程序,开发用于天然气管道在役焊接热力耦合有限元模拟的参数化插件,实现几何模型建立、材料与截面属性设置、网格划分、分析步建立、焊缝单元生死控制、边界条件施加的快速自动完成。利用所开发的参数化插件,对不同直径、压力条件下管道在役焊接的热力耦合场进行分析。结果 随着压力增加、管道直径减小,熔池及其正下方管道内壁的温度峰值逐渐降低。在管道在役焊接过程中,径向变形是主导、周向变形次之、轴向变形最小。随着管道直径的增加,压力对熔池正下方管道内壁径向变形的影响愈加显著,并且两者呈正相关。结论 所开发的参数化插件可用于管道在役焊接热力耦合分析,显著减少了变参数模拟的工作量,提高了建模效率。研究成果可为管道在役焊接模型的建立和工艺参数的优化提供参考。     

异种钢激光-电弧焊复合焊接数值模拟

目的研究异种钢激光-GMAW复合焊接温度场以及应力场变化。方法运用ANSYS有限元分析软件,以5 mm厚D500钢和A514钢为研究对象,采用均匀分布的柱体热源与椭球热源组合的方法,建立了激光-GMAW焊接热源模型,对异种钢激光电弧复合焊接过程进行了模拟计算,并与实验所得的焊缝形状以及焊后残余应力进行了对比。结果结果表明,异种钢激光电弧复合焊接过程焊接变形以及残余应力实验结果与数值计算结果吻合较好。结论验证了锥体加柱体热源与椭球热源的组合热源模型在异种钢激光-GMAW复合焊接温度场及应力场模拟中的适用性,从而为不同焊接工艺条件下异种钢激光-GMAW复合焊接的焊缝形状和尺寸预测,提供了一种有效的途径。