外拘束对铝合金薄板结构焊接变形的影响

采用热-弹-塑性有限元法与基于固有应变理论的弹性有限元法相结合的计算方法,模拟不同板厚铝合金(A6061)薄板结构的焊接变形.同时,基于数值模拟结果,讨论外部拘束对焊接变形的影响.在计算方法上采用两步集成计算方法,第一步采用热-弹-塑性有限元法计算薄板结构中典型焊接接头的固有变形,第二步将各个接头的固有变形转化成相应的固有应变代入到基于固有应变理论的弹性有限元模型中计算了薄板结构的总体变形.热-弹-塑性有限元计算结果表明,在本研究的模型中,外部拘束对T字接头的纵向收缩力(Tendon force)的影响很小,对横向收缩有一定影响,对角变形有显著影响.弹性有限元计算结果表明,在不产生屈曲变形的情况下,外部约束可以有效地减小焊接结构的面外变形,但是在发生屈曲变形的情况下,外部约束并不能防止薄板焊接结构的失稳变形.     

1500 MPa级超高强钢复杂薄壁结构焊接变形预测

基于MSC.Marc通用有限元软件平台,开发了同时考虑材料非线性、几何非线性和边界非线性的热-弹-塑性有限元方法用于模拟1 500 MPa级超高强钢薄板接头的焊接变形;同时也开发了基于固有应变理论的弹性有限元方法来计算大型复杂结构的焊接变形。首先,以1500MPa级超高强钢薄板对接接头为研究对象,分别采用热-弹-塑性有限元方法和固有应变法模拟了焊接变形,并与试验结果进行比较,计算误差均小于15%。随后,以1 500 MPa级超高强钢大型复杂薄壁结构为研究对象,采用热-弹-塑性有限元法计算薄壁结构中典型焊接接头在自由和强制拘束条件下的固有变形,考察拘束条件对焊接接头变形的影响。最后,基于固有应变理论计算了超高强钢复杂薄壁结构的整体焊接变形,并研究了强制拘束对薄壁结构焊接变形的影响。数值模拟结果表明,采用外部强制拘束可以在一定程度上减小薄壁结构的总体变形。     

焊接变形的高精度测量方法及预测方法研究

基于有限元分析的固有变形逆解析方法是一种获取焊接接头固有变形的新方法。但是,采用该方法计算固有变形时,必须已知焊接前后焊接接头上少数点的三维坐标值。为了提高固有变形逆解析结果的精度,提出利用接触式三维坐标测量仪准确地获得焊件中面上三维坐标的新算法。该算法是通过在被焊件上加工小孔,在每一个小孔附近测量八个点的三维坐标,利用测量得到的坐标值确定小孔的中心位置。以2 mm和3 mm薄板表面堆焊焊接接头为例,以计算得到的小孔中心三维坐标为已知参数,基于逆解析方法求得了各成分固有变形,并采用固有应变法预测了2 mm和3 mm薄板焊接变形。通过比较分析发现,尽管焊件板厚只相差1 mm,但焊接变形的特征和变形量却有显著的差别,采用该测量方法及算法能获得焊接接头中面上较精确的三维坐标,基于逆解析方法获得的固有变形各成分有效准确。     

SUS310S不锈钢局部真空电子束焊接接头残余应力及变形研究

作为一种新型焊接方法,局部真空电子束焊接常被用于制造厚大的奥氏体不锈钢焊接接头,而该类接头的焊接残余应力和变形问题受到广泛关注。对板厚40 mm的SUS310S不锈钢局部真空电子束焊接的对接接头进行了研究,并利用光学显微镜表征接头的组织形貌,利用显微硬度计测量接头的硬度分布,采用盲孔法装置和三坐标测量仪测量了接头的残余应力与面外变形。同时,基于ABAQUS有限元软件平台,通过编写用户子程序开发了一种复合热源模型来模拟局部真空电子束焊接过程中的热输入。采用所开发的“热-弹-塑性有限元”计算方法,模拟了接头在局部真空电子束焊条件下的残余应力与变形,模拟结果与试验结果吻合良好,验证了所开发的“热-弹-塑性有限元方法”的有效性。同时基于数值模拟结果,还详细讨论了局部真空电子束焊厚板对接接头的残余应力分布与焊接变形特征。     

Q345/SUS304异种钢焊接接头固有应变的变化规律研究

为快速准确地预测异种钢结构的焊接变形,提出了用于模拟异种钢焊接接头残余应力与变形的热弹塑性有限元法。基于所提方法,以Q345/SUS304异种钢平板对接接头和T型接头为研究对象,研究了其固有应变的变化规律。进一步针对复杂Q345/SUS304异种钢焊接结构,分别采用固有应变法和传统的热弹塑性有限元法进行焊接变形的预测和对比。研究结果表明,随着热输入参数Q/h2（h为板厚,Q为线能量）的增大,纵向收缩力、横向收缩量近似呈线性增大,而角变形先增大后减小,且在Q/h2=12 J/mm3左右处出现峰值。该规律可在工程上为大型异种钢结构的焊接变形预测和控制提供参考。     

超薄板焊后波浪变形的形成原因及控制方法探讨

针对超薄板焊后面外失稳变形的机理以及矫正的研究目前仍较少。以厚度为0.07 mm的不锈钢金属箔为研究对象,建立基于壳单元的有限元计算模型,采用热-力顺序耦合的方法针对激光焊中出现的波浪变形现象进行数值模拟。波形分布的数值模拟结果与实测基本吻合。分析认为在整个焊缝长度上的焊接应力会在焊接过程中自身平衡,拉伸应力区外会有压应力来平衡,从而产生间隔分布的局部压应力区导致波浪变形出现。发现采用0.15%的预拉伸方法可以大大减少薄板的面外失稳变形量,其主要原因是焊后焊缝中的塑性应变发生了由压缩向拉伸应变的转变。采用滚轴碾压可以矫正焊缝处的波浪变形,随焊碾压可以使超薄板焊后整体面外变形幅度降低,由原来的0.46 mm下降至0.25 mm,直径72 mm滚轴碾压后焊缝处波浪变形高度差被基本控制在0.002 mm之内,接近平直。研究结果对提高超薄板结构的焊接质量具有积极的参考价值。     

基于切断技术的固有变形获取方法研究

固有变形逆解析法是一种获取焊接接头固有变形的新方法。但是,采用该方法来获得铝合金或高强钢等轻量化结构材料的薄板焊接接头固有变形时,由于焊接过程中产生几何非线性现象的倾向大,逆解析过程中常常出现收敛困难而无法获得固有变形。针对这一问题,研究提出了一种借助于切断手段的方法来消除因几何非线性引起的收敛性问题。文中以钨极惰性气体保护焊和熔化极惰性气体保护焊加工铝合金薄板接头为例,采用提出的"切断法"与"逆解析方法"相结合的新方法来获得了焊接接头固有变形,并在此基础上运用固有应变法再现了原尺寸铝合金焊接接头的焊接变形。通过比较分别由试验法、热-弹-塑性方法和固有应变法得到的焊接变形结果发现,尽管不同焊接方法对变形模式和变形量影响显著,但是利用提出的算法获得的固有变形值得到的焊接变形均能较好地再现热-弹-塑性有限元计算得到的结果。     

加筋板结构及焊接顺序对焊接变形的影响CSCD

焊接广泛应用于工业中,用于组装不同的产品,如:汽车,船舶,桥梁等。而焊接变形通常是造成尺寸不精确和高制造成本的主要原因。因此,通过有限元模拟预测变形量和通过改善焊接结构的质量来减小焊接变形是至关重要的。本项研究的目的是减少大型船板的变形,有两种方法:首先,采用热弹塑性有限元分析进行变形预测,估算Q345钢焊接接头的固有变形;其次,基于固有应变理论对大型船板的焊接过程进行弹性分析,揭示了板材边缘和内部的变形情况。通过运用有限元模拟,对比不同形状模型的焊接变形,找到最有焊接顺序,可以最大限度降低焊接变形。     

加筋板结构及焊接顺序对焊接变形的影响

焊接广泛应用于工业中,用于组装不同的产品,如:汽车,船舶,桥梁等。而焊接变形通常是造成尺寸不精确和高制造成本的主要原因。因此,通过有限元模拟预测变形量和通过改善焊接结构的质量来减小焊接变形是至关重要的。本项研究的目的是减少大型船板的变形,有两种方法:首先,采用热弹塑性有限元分析进行变形预测,估算Q345钢焊接接头的固有变形;其次,基于固有应变理论对大型船板的焊接过程进行弹性分析,揭示了板材边缘和内部的变形情况。通过运用有限元模拟,对比不同形状模型的焊接变形,找到最有焊接顺序,可以最大限度降低焊接变形。     

焊接顺序对大型厚板结构焊接变形的影响

大型厚板结构焊接变形影响其制造质量,预测和控制结构件的焊接变形具有重要的工程意义.以工程车车架为例,采用局部-整体映射法研究了焊接顺序对其焊接变形的影响.采用热弹塑性法分析了 T形和角接接头的焊接过程,提取接头局部塑性应变,映射到整体模型,实现整体结构焊接变形的计算.现场焊接顺序下结构变形最大,最大变形量为2.852 mm,计算结果与试验结果基本一致,采用优化的焊接顺序,可有效控制整体焊接变形,变形最大值可减小43％.     

坡口形式对Q345/SUS304异种钢对接接头残余应力和变形的影响

近年来,异种钢焊接接头在工业应用上越来越广泛。在焊接中、厚板的异种钢接头时,为了获得全焊透接头通常需要在工件上准备坡口。由于坡口处需要填充焊缝金属,因此不同的坡口要采用不同的热输入和焊道布置。理论上而言,不同热输入和焊道布置对焊接残余应力与变形会有影响。采用数值模拟与试验手段相结合的方法研究坡口形式对Q345与SUS304异材对接接头的残余应力与变形的影响。以有限元软件ABAQUS为平台,开发热-弹-塑性有限元数值计算方法来模拟板厚为10 mm的V形和X形坡口Q345/SUS304异种钢平板多道焊对接接头的温度场、应力场和焊接变形。采用盲孔法测量V形坡口接头表面的焊接残余应力;分别采用游标卡尺和三坐标仪测量V形和X形坡口接头的横向收缩和角变形。通过比较可知,不论是焊接残余应力还是焊接变形,计算结果与试验结果都吻合较好,验证了计算方法的有效性。研究结果表明,在Q345母材与焊缝交界处的应力分布均出现不连续的现象,而且接头中SUS304侧的高拉伸残余应力区域明显宽于Q345侧。数值结果表明,坡口形式对纵向残余应力的峰值影响较小,而对横向残余应力的峰值有一定影响。试验和数值模拟结果显示V形坡口接头的横向收缩和角变形明显大于X形坡口接头的值。     

固有应变值施加方式的焊接变形仿真研究

为提高固有应变法在预测焊接变形应用中的准确度,以T型接头为算例,采用SYSWELD仿真软件对多个方案进行数值模拟,研究了固有应变施加方式对焊接变形预测的影响,进而提出了一种新的固有应变施加方式。为了验证此方法的准确性,将三种设计方案的计算结果与热弹塑性有限元方法的计算结果进行分析比较。结果表明:在以焊缝中间线为轴心、焊缝直角边的1/2为半径的范围作为固有应变的施加区域时,其变形预测精度明显提高,变形量更加逼近于热弹塑性有限元分析方法的预测结果。     

大型锻焊齿轮的焊接工艺研究

介绍大型异种钢锻焊齿轮的焊接工艺特点。分析该类产品在焊接时各种焊接缺陷产生的原因及具体的解决方案，为今后同类型产品的焊接提供了可借鉴的经验。     

一种高效预测厚壁管件焊接变形的有限元模拟方法

基于SYSWELD软件讨论并分析了厚壁管件结构对接焊的数值模拟简化方式,通过降低维数、简化热源模型等方式快速计算得到误差较小的位移场结果,总结出一种具有实际工程应用意义的高效预测厚壁管件焊接变形的有限元模拟方法。计算结果表明,厚壁管件焊接存在明显的轴向变形,焊接初期是轴向收缩的主要阶段,当焊接量达到20 mm左右时,受结构刚度限制,轴向收缩量逐步变缓。结合计算效率、计算结果和试验数据,采用给定热源模型的二维模型基本符合工程应用要求,能够实现高效预测具有三维效应管件焊接变形的目的。     

全焊接阀体管线球阀焊接接头安全评估

介绍了一种评价焊接接头安全性的方法，根据焊接接头断裂韧度CTOD试验值，对埋弧焊焊接接头免焊后热处理的可能性进行安全评定。为大型全焊接阀体管线球阀制造提供科学依据。     

基于固有应变法的桅杆焊接工艺仿真

桅杆的材料为Q345B,通过采用焊接的方式,将桅杆的底板、侧板、顶板和加强筋焊接成装配件。桅杆在焊后存在变形,需要通过热校形来减小和控制变形量。基于固有应变法对桅杆的焊接成型工艺进行仿真,通过三维弹塑性有限元仿真,得到焊接成型过程中焊缝周围的残余应力分布和固有应变分布趋势,进而通过固有应变法获得桅杆焊后的整体变形。     

特大型零件热态成形制造技术基础研究

在中国国家自然科学基金重点项目《特大件成形制造技术基础研究》、国家科技支撑计划课题《大型轧机共性技术》、国家重点基础研究发展计划(973计划)前期研究专项《大型零件热态成形制造虚拟技术基础研究》,以及中国河北省科技攻关项目《大型轧机共性技术》和《特大件成形制造技术基础研究》共同资助下,以大型锻钢轧辊(辊身直径超过1 000 mm或质量大于100 t)为对象,通过宏观 微观强耦合建模,解决铸造缺陷信息遗传、孔洞锻合条件、形变焊合条件、材料断裂准则构建,以及热 力 微观组织耦合建模等关键技术问题,建立以淬硬层深度数值预测技术为核心的热处理工艺分析与优化系统,提出基于非均质轧辊辊间接触力学模型的轧辊强度设计方法,构建起大型锻钢轧辊热态成形制造与服役评估的多学科耦合决策支持理论体系,提出理论研究报告。针对缩孔和气孔等大型铸钢锭铸造中的孔洞缺陷控制,以大锻件内部孔洞锻造闭合过程为科学问题,以大锻件内部有效锻合区域数值预测为目标,将有限元方法与人工神经网络技术相结合,利用神经网络的非线性映射能力,描述材料变形抗力、温度、应力应变与孔洞闭合程度之间的复杂关系,将孔洞锻合过程有限元模拟结果作为神经网络训练样本,建立起温度、应力和变形等多场耦合作用下的孔洞锻合条件模型(VCCM)。针对孔洞形变焊合机理与物理模拟模型一致性问题,以消除大锻件心部残留微孔隙,实现物理闭合状态下的锻合孔洞缺陷的真正冶金结合为目标,基于临界闭合孔洞界面接触力学原型和原子高温扩散理论,以界面接触应变和高温环境作为孔洞焊合的驱动力,利用高温和大变形对闭合孔洞界面扩散焊合的有利影响,提出适用于大锻件在锻造成形阶段的内部孔洞缺陷形变的形变焊合方法,通过物理模拟实     

不同有限元软件对Q390钢厚板T型接头焊接残余应力和变形预测精度与计算效率的比较

以Q390高强钢厚板多层多道焊T型接头为研究对象,分别基于ABAQUS、MARC和SYSWELD三款不同的有限元软件平台,开发"热-弹-塑性有限元方法"模拟接头的焊接温度场、残余应力与焊接变形。采用理论方法检验三种数值模拟软件在计算焊接温度场时的热量损失情况。结果表明,通过ABAQUS软件进行多层多道焊温度场的计算时,在后续焊道单元的添加和激活过程中,会造成热量的损失,对此提出了相应的解决方案;另外两个软件对焊接温度场的计算不存在热量损失问题。同时,采用试验方法实测接头的焊接残余应力和焊接变形。通过对比数值模拟结果与试验结果可知,三种不同的数值模拟软件对焊接残余应力都有较高的预测精度。对于焊接变形,ABAQUS的预测精度最高,然而计算时间最长;MARC次之,与ABAQUS相比计算效率提高了55%;SYSWELD对多层多道焊焊接变形的预测精度相对较差,但其计算效率最高,与ABAQUS相比效率提高了66%。为充分利用各个软件的优势进行焊接数值模拟的研究提供了较好的借鉴和参考价值。     

基于数字图像相关和等应力假设研究2A12-T4铝合金FSW接头的局部力学行为

基于数字图像相关(DIC)方法对2A12-T4铝合金搅拌摩擦焊(FSW)接头拉伸过程的非均匀变形行为进行分析,然后采用等应力假设方法研究了接头的局部力学性能,并与横向拉伸试验得到的整体力学性能进行对比。结果表明:基于DIC方法可知,拉伸过程中接头内部存在较大的应变梯度,采用等应力假设方法计算得到的母材局部真应力-真应变数据与试验得到的真应力-真应变曲线相吻合,验证了等应力假设方法的准确性;计算得到前进侧距焊缝中心6.5mm处热影响区的真应力-真应变曲线更接近于接头的,热机影响区与热影响区交界处的屈服强度最低,为接头力学性能最薄弱区域;接头高强度区对低强度区存在约束效应,导致接头的整体力学性能优于最薄弱区域的局部力学性能。     

锻造ZK60镁合金的搅拌摩擦焊工艺

采用搅拌摩擦焊焊接工艺对4 mm厚的锻造ZK60镁合金板进行了焊接试验,研究了搅拌头轴肩尺寸、旋转速度及焊接速度等对焊缝质量及接头抗拉强度的影响,并得到了较佳焊接工艺参数。结果表明:在其他条件一定时,焊接接头的抗拉强度随搅拌速度的增加而增大,随焊接速度的增加而先增大后减小;当搅拌头轴肩直径为15 mm、旋转速度为1 170 r.min-1,焊接速度为36 mm.min-1时,所得焊缝表面光滑,无裂纹、孔洞、疏松及未焊透等缺陷,接头的抗拉强度最大,为271.2 MPa,约为母材的85%。