热源模型对Q420厚板焊接残余应力和变形预测精度的影响

以板厚为40 mm的Q420高强钢多层多道焊接头为研究对象,基于有限元软件MSC. Marc,分别采用移动热源模型和瞬间热源模型对接头的残余应力与变形进行了数值模拟,同时也用试验方法测量了接头的焊接残余应力和变形。对比数值模拟结果与试验结果可知,移动热源模型对焊接残余应力和变形都有较高的预测精度;瞬间热源模型只能比较精确的预测焊接残余应力,预测的焊接变形远低于实际测量值,然而,瞬间热源模型能大幅度的缩短计算时间。如果焊接构件只关注焊接残余应力,瞬间热源模型将具有更大的优势。     

用瞬间热源模拟Q390高强钢厚板多层多道焊T形接头的焊接残余应力

文中以钢结构中常用的厚板T形接头为研究对象,建立有限元模型,采用所开发的瞬间热源模型,对板厚为30 mm的Q390高强钢多层多道接头的焊接残余应力进行了数值模拟,并与移动热源模型的计算结果进行对比.同时,采用瞬间热源模型,探究了有限元网格密度对焊接残余应力的计算精度和计算时间的影响.此外,采用盲孔法实测了T形接头的焊接残余应力.结果表明,采用所开发的瞬间热源模型,不仅可以保证焊接残余应力有较高的计算精度,而且还可以大幅度缩短计算时间.比较发现,采用瞬间热源模型时,焊缝长度方向的网格大小对计算结果的影响很小,采用粗网格可进一步缩短计算时间.     

轨道车辆用铝合金自动焊搭接接头裂纹研究

采用CLOOS焊接专机对6005A铝合金型材进行单丝脉冲MIG搭接焊试验.针对焊后普遍出现的焊趾裂纹问题,从接头组织、焊接热输入、焊接应力等方面进行综合分析,并结合Sysweld软件对焊接热源以及焊接过程的温度场、应力场进行数值模拟.试验结合模拟结果表明:6005A铝合金搭接接头焊接时,焊接热输入大和焊枪角度不合理导致...     

5A06铝合金焊接残余应力有限元分析

利用热弹塑性有限元方法对5A06铝合金焊接接头的温度场和残余应力场进行模拟.有限元模型中选用三维实体单元,考虑材料物理性能随温度的变化和周边对流、辐射散热的影响.在模型中运用移动的三维双椭球体热源作为输入热源来模拟焊接过程,最终获得了焊接温度场和残余应力场.将有限元计算结果与残余应力的实测结果进行了对比,模拟结果与实测值有较好的一致性.     

Q345高强钢T型接头焊接变形机理的数值模拟研究

为了研究T型接头的变形机理,本文以通用有限元分析软件MSC.Marc为平台,开发了用于模拟焊接温度场、应力场和应变场的热-弹-塑性非线性有限元计算方法。在所开发的计算方法中,采用了双椭球高斯体积移动热源模型来模拟焊接的热输入,以生死单元技术考虑焊缝成形,数值模拟了低合金高强钢Q345的T型接头焊接残余应力与变形。研究结果表明,T型接头的角变形主要取决于两个因素:翼缘板上下表面的温差以及翼缘板的板厚。其中翼缘板上下表面的温差是角变形的驱动力,温差越大,角变形越大;而板厚(刚度)是角变形的阻力,板厚(刚度)越大,则变形的阻力越大。     

焊接顺序对汽车零件十字接头焊接残余应力及变形影响的数值分析

为了研究焊接顺序对十字接头焊接残余应力及变形的影响,本文基于MSC.Marc大型有限元分析软件,开发了用于模拟焊接温度场、应力场和应变场的热-弹-塑性非线性有限元计算方法。在所开发的计算方法中,采用了双椭球高斯体积移动热源模型来模拟焊接的热输入,以生死单元技术考虑焊缝成形,数值模拟了低合金高强钢Q345的十字型接头焊接残余应力与变形。并考察了焊接顺序对该接头焊接残余应力和变形的影响。结果表明,焊接顺序对十字接头的纵向残余应力有明显的影响;同时对焊接变形也具有一定的影响;但是对横向残余应力无明显的影响。     

SS304半管夹套焊接部位残余应力三维有限元模拟

半圆管夹套设备最常见的问题是夹套焊接部位开裂引起泄漏,焊接残余应力是重要的影响因素之一.利用有限元软件ABAQUS,开发了一个多次顺次耦合焊接残余应力有限元计算程序,并利用FORTRAN语言编写移动高斯热源的分布子程序,对304不锈钢半管夹套焊接部位残余应力进行数值模拟,得到半管夹套T形接头焊接残余应力分布规律.计算结果表明,在T形接头附近,应力水平较高,易诱使焊缝开裂失效.并对半管夹套的焊接制造提出建议,为优化半管夹套焊接工艺、控制焊接残余应力提供理论依据,对提高半管夹套设备的可靠性和安全性具有重要意义.     

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。     

K-TIG焊接接头的应力与变形

采用SYSWELD软件对Q345低合金钢板的匙孔型钨极气保焊（keyhole gas tungsten arc welding,K-TIG）焊接过程进行了模拟,选用了3种形式的组合热源对K-TIG焊接过程的温度场进行数值模拟,并与实际焊缝轮廓进行对比,发现采用上半部分双椭球热源和下半部分3D高斯热源的组合热源所得温度场与实际情况较为相似.并通过K-TIG焊接数值模拟,分别研究板厚、间隙和焊接速度对K-TIG焊接接头变形和应力的影响.结果表明,减小焊接板厚有利于减小焊后z向变形和横向残余应力,留出适当的间隙有利于减小焊后残余应力,增大焊接速度有利于减小焊后变形,但不利于控制焊后残余应力.     

换热器管子与管板焊接接头残余应力数值模拟

利用有限元软件ABAQUS,对换热器管子与管板焊接残余应力进行数值模拟,获得了焊接接头残余应力的分布规律,比较了伸出角接头和内角接头的优劣.计算结果表明,内角接头残余应力比伸出角接头小.最大径向应力出现在管板表面的热影响区,对管板表面裂纹有主要影响.最大环向应力出现在焊缝根部,对管子与管板连接失效影响较大.相邻两换热管之间,由于后面换热管的焊接加热作用,使前面管子焊缝局部应力值下降,有利于降低应力腐蚀开裂的敏感性.研究结果为优化换热器管子与管板的焊接工艺、控制残余应力提供了理论依据.     

高速列车框架焊接的双椭圆柱高斯分布热源模型

根据高速列车车体结构焊接工艺特点,分析并改进常用高斯热源,提出适用于铝合金惰性气体保护焊接（MIG）的双椭圆柱-高斯分布热源模型.该热源模型基于焊接速度移动,形成的熔池表面为双椭圆形状,热流密度沿厚度方向均匀分布,在径向呈高斯-双椭圆分布.基于热源模型的数学表达,以有限元方法实现了热机耦合的焊接过程仿真,与薄板试验结果比较,温度场分布与降低趋势较好地吻合;拉应力峰值出现在熔合线和热影响区,仿真值、试验值分别为88.8,85 MPa.结果表明,该热源模型有效地模拟焊接温度场时域上的变化过程,准确地预测结构变形、残余应力分布规律,应用于高速列车头车框架结构焊接工艺优化及残余应力评估,为高速列车焊接质量控制及焊接工艺参数选择提供理论指导.     

铝合金薄板焊接应力三维有限元模拟

采用热弹塑性有限元方法,对铝合金薄板脉冲TIG焊接接头的焊接应力进行了三维数值模拟,考虑材料性能随温度的变化,对焊接残余应力进行测量.结果表明,铝合金薄板中的焊接应力产生、发展很快,加热结束后不久应力便趋于稳定.热源前缘和两侧区域存在数值很高的纵向和横向动态压应力,焊缝中心的纵向残余拉应力低于母材的屈服强度,距焊缝中心10 mm处的最大纵向残余拉应力达到母材的屈服强度,并且拉应力区较宽,远离焊缝区域的纵向残余压应力数值较大,因此铝合金薄板焊接结构易发生动态和焊后失稳,横截面上纵向残余应力的数值模拟结果与实测结果基本一致.     

A6N01S-T5铝合金焊接软化行为及数值模拟

基于A6N01S-T5铝合金焊接接头显微硬度试验和微观组织分析,研究A6N01S-T5铝合金焊接接头软化特征,根据焊接接头不同区域的焊接温度及显微硬度,建立了A6N01S-T5铝合金软化模型.针对高速列车车顶焊接过程数值模拟,开发了基于平均温度曲线法的焊接快速数值模拟方法,并通过典型焊接接头试验验证.结果表明,平均温度曲线法可以替代移动热源进行焊接过程模拟.基于A6N01S-T5铝合金软化模型及平均温度曲线法,模拟高速列车车顶焊接过程,计算的车顶焊接变形与实测值比较吻合.     

有限元分析热物理参量对焊接残余应力峰值特征的影响

利用非线性有限元方法对平板TIG焊进行了数值模拟.使用随温度变化的材料热物理参量,采用双椭球热源模型,研究了热导率、比热容及密度三个热物理参量对焊接残余应力的影响.结果表明,热导率降低可使焊接残余应力升高,纵向残余应力峰值会从双峰特征过渡到单峰特征;比热容降低可使焊接残余应力峰值降低;密度增大可使焊接残余应力增加,纵向残余应力峰值的双峰效应逐渐减弱;因此,热导率、比热容和密度3个参量是导致铝合金纵向焊接残余应力峰值比屈服极限低以及焊缝附近呈现双峰分布特征的重要原因.使用切条释放法对材料参量为2024—T4的铝合金平板中纵向焊接残余应力模拟结果进行试验验证,模拟结果与试验结果吻合良好,证明了模拟结果的正确性.     

铝合金LB-VPPA复合焊接残余应力场预测

针对双高能束激光-变极性等离子弧(LB-VPPA)复合焊接热源,基于SYSWELD软件热源模型二次开发功能,在理论分析LB-VPPA复合焊接热源电弧形态的基础上,建立了“双椭球体+三维锥体+圆柱体”热源模型,通过正、反极性不同特性热源模型的循环加载,准确计算出了LB-VPPA复合焊接温度场. 根据热弹塑性理论对相应节点应力的瞬时演变及焊后残余应力分布进行了数值计算,并通过实际焊接工艺试验获得的焊缝截面及残余应力的实际测量,验证了数值计算的准确性. 通过分析对比10 mm厚5A03铝合金VPPA焊和LB-VPPA复合焊接残余应力场发现,LB-VPPA复合焊由于能量更加集中,高温区更为密集,虽然最大纵向残余应力相对较大,但呈最大残余拉应力的区域面积较VPPA焊小. 研究结果对铝合金LB-VPPA复合焊接工艺的研究及实际应用具有一定的指导意义.     

Simulation on the deformation controlling of T-joint LBW with auxiliary heat source for high strength aluminum alloy

To avoid the angular deformation of aluminum alloy T-joint weldments, a new method named welding with auxiliary heat source is proposed. The welding simulation is performed with the commercial finite element software Abaqus and FORTRAN programme encoding a special conical heat source with Gaussian volumetric distribution of flux. The influence of the local model on the temperature, residual stress, and welding deformation distributions is investigated. The findings show that angular deformation achieved through numerical computation completely consists with the experimental result which has proved the effectiveness of the finite element methods developed. Various measurements performed on small-scale welded test specimens provide a data base of experimental results that serves as a bench mark for qualification of the simulation result. Finally, the residual stress and strain states in a T-joint are predicted.     

基于固有应变法的地铁侧墙FSW焊接变形仿真

针对地铁列车铝合金地铁侧墙焊后变形问题,基于顺序热力耦合法和固有应变法,建立了完整的6005A-T6铝合金地铁侧墙搅拌摩擦焊有限元模型,并对其焊接变形进行仿真预测。首先,运用组合热源和顺序热力耦合方法,对侧墙局部结构进行三维热弹塑性有限元分析,提取结果并计算固有应变;然后采用固有应变法对全尺寸地铁铝合金侧墙模型进行弹塑性计算,获得地铁侧墙结构的焊接变形结果,并与实际测量值进行对比分析。结果表明,模拟计算得到的焊接变形趋势与实验结果相同,且模拟变形量与实验测量值之间的误差在20%以内,为地铁侧墙的实际生产提供了理论依据。     

Numerical Simulation and Experimental Validation of Residual Stresses in Water-Quenched Aluminum Alloy Castings

Aluminum alloy castings are normally water quenched after solution treatment to improve mechanical properties. Rapid water quenching can result in high-residual stress and severe distortion which significantly affect functionality and performance of the products. To optimize product design and durability, one needs to model and predict residual stress and distortion produced in the water-quenched components. In this article, a finite element-based approach was developed to simulate the transient heat transfer and residual stress development during water quenching. In this approach, an iterative zone-based heat transfer algorithm was coupled with material constitutive model called mechanical threshold stress (MTS). With the integrated models, a good agreement was achieved between the numerically predicted and the experimentally measured residual stresses in the aluminum alloy frame-shape casting. The integrated FEA-based heat transfer and residual stress models were also applied to a water-quenched cast aluminum cylinder head with a great success.     

Numerical and experimental study of thermally induced residual stress in the hybrid laser-GMA welding process

A model based on a double-ellipsoidal volume heat source to simulate the gas metal arc welding (GMAW) heat input and a cylindrical volume heat source to simulate the laser beam heat input was developed to predict the temperature field and thermally induced residual stress in the hybrid laser-gas metal arc (GMA) welding process. Numerical simulation shows that higher residual stress is distributed in the weld bead and surrounding heat-affected zone (HAZ). Effects of the welding speed on the isotherms and residual stress of the welded joint are also studied. It is found that an increase in welding speed can reduce the residual stress concentration in the as-weld specimen. A series of experiments has been performed to verify the developed thermo-mechanical finite element model (FEM), and a qualitative agreement of residual stress distribution and weld geometrical size is shown to exist.