基于热循环曲线法的低合金高强钢对接接头焊接残余应力数值模拟

以Q345低合金高强钢对接接头为研究对象,建立热-冶金-力学耦合的三维有限元模型,在考虑相变情况下采用三维双椭球体热源模型对单道焊的焊接温度场进行数值模拟,再基于提取的热循环曲线(TCC)对该热源模型进行简化。分别采用三维双椭球体热源模型和基于TCC简化的热源模型对单道焊和多道焊对接接头的残余应力进行计算,并进行了试验验证。结果表明：根据温度场模拟得到的单焊道焊缝TCC与试验结果吻合良好,相对误差小于2.34%,验证了提取的TCC的准确性;采用三维双椭球体热源模型和基于TCC简化热源模型模拟得到的接头残余应力与试验结果吻合良好,其中单焊道接头纵向残余应力相对误差分别小于11.38%,4.34%,验证了2种模拟方法的准确性;与三维双椭球体热源模型相比,基于TCC简化热源模型的计算效率提高32%以上。     

不锈钢焊接温度场的三维无网格对称粒子法模拟

提出了模拟焊接温度场的无网格对称粒子法,编制了相应的计算程序。建立了不锈钢钨极氩弧焊的三维数值模型,应用无网格对称粒子法进行求解,得到了焊件的温度分布和焊接熔池的形状、尺寸,将模拟结果与有限元法的结果和试验结果进行对比,结果表明无网格对称粒子法与有限元法的精度相近,而前者的效率更高。建立并应用渐进变化的非均匀无网格粒子模型对焊接温度场进行了模拟,计算效率得到了进一步提高。在此基础上,研究了高斯热源模型和双椭球形热源模型对模拟结果的影响,数值结果表明基于后者能给出与试验更相符的熔池形状。     

快速再制造成形温度场模拟中的热源模型对比研究

介绍了基于快速成形的熔覆快速再制造系统,对成形温度场模拟中的两种热源模型,即高斯热源模型和双椭球热源模型,使用单元生死技术模拟熔覆区动态成形过程,并做了相应的成形试验,采集了温度数据,将两种热源下的温度场数据进行对比.研究结果表明,双椭球热源模型的模拟结果更加接近试验结果.     

大型复杂框架结构焊接变形与应力控制仿真

针对大型复杂结构件有限元计算效率低下的问题,提出了分段移动温控体热源高效算法,并将该算法应用于挖掘机中框架非连续焊的分层逐项优化中,对分段移动温控体热源模型和逐点移动双椭球热源模型的计算效率进行了对比。结果表明,取对称焊与跳焊相结合的焊接方式所得到的焊接残余应力和角变形量最小,左右两侧立板处焊接残余应力峰值相较于原工艺方案,降幅率分别为38.46%和42.13%,降低效果显著;分段移动温控体热源模型与逐点移动双椭球热源模型模拟结果相比,两者得到的变形量变化趋势一致,计算精度相当,但前者计算效率显著要高。将模拟结果与测量结果进行对比,两者高度一致,验证了热源模型及优化工艺的准确性。     

挖掘机动臂板焊接温度场模拟及影响因素分析

利用有限元方法对挖掘机动臂平板对接焊温度场进行了分析,采用Goldak椭球热源模型,应用DFLUX子程序定义热源模型的位置、大小、热输入以及焊接速度等参数来模拟瞬态温度场的分布及其变化,在此基础上通过改变焊接热输入、热源模型参数和焊接速度来分析其对温度场分布的影响规律.研究结果表明,由于焊接热源具有集中移动的特点,焊接热源模型参数以及焊接速度对焊缝区和热影响区的温度分布影响比较明显,热输入的变化与最高温度的变化大致呈线性关系.运用有限元法,选取Goldak椭球热源模型通过DFLUX子程序可有效进行挖掘机动臂平板焊接的数值模拟.     

双丝旁路耦合电弧GMAW高效焊接工艺

在介绍了双丝旁路耦合电弧熔化极气体保护焊(双丝旁路耦合电弧(Double-electrode gas metal arc welding,DE-GMAW))高效焊接工艺原理的基础之上,采用双闭环反馈解耦智能控制系统,进行双丝旁路耦合电弧GMAW高速焊接工艺试验,测量双丝旁路耦合电弧GMAW母材热输入,分析双丝旁路耦合电弧GMAW高效焊接工艺机理,并对双丝旁路耦合电弧GMAW高效焊接工艺方法进行改进,进一步研究混合气体保护下的双丝旁路耦合电弧GMAW及其熔滴过渡行为,且开发出单电源双丝旁路耦合电弧GMAW。研究表明:采用双闭环反馈解耦智能控制系统使双丝旁路耦合电弧GMAW焊接过程稳定性更好、精确度更高且响应速度更快;旁路分流是实现高效焊接的同时降低母材热输入的关键;采用混合气体保护下的双丝旁路耦合电弧GMAW能进一步提高焊接过程稳定性,单电源双丝旁路耦合电弧GMAW能形成良好的焊缝成形,且设备成本低。     

电子束焊接数值模拟中分段移动双椭球热源模型的建立

直接利用移动双椭球热源模型对电子束焊接过程进行数值模拟时,计算量庞大,计算效率低下。为此,在移动双椭球焊接热源模型的基础上,经分析推导得到了分段移动双椭球热源数学模型,并通过实际的物理试验和数值模拟对该模型进行了验证。结果表明,采用该热源模型可以在保持良好计算精度的基础上极大提高计算效率,使模拟实际复杂焊接构件的焊接过程成为可能。     

焊接电流影响GMAW双丝焊电弧等离子体的数值模拟研究

基于电磁学理论和流体力学理论,建立熔化极气体保护焊(Gas metal arc welding,GMAW)双丝焊焊接电弧等离子体三维数学模型,利用流体力学软件Fluent对其进行求解。重点研究焊接电流对GMAW双丝焊电弧等离子体行为的影响规律,获得了电弧温度、电流密度、热通量、磁场分布等结果。研究发现,随着焊接电流的变化,电弧等离子体形状变化显著。随着焊接电流的增大,电弧最高温度和电弧偏转角随之增大,电流密度和工件表面热通量由双峰分布转变为单峰分布,并且热通量峰值随焊接电流的增大而增大。此外,随着焊接电流的增大,磁感应强度和磁场力随之最大,磁场分布由独立两个磁场向耦合磁场转变。为有效、定量地证明模拟结果准确性,开展焊接试验,利用高速摄像监测电弧行为,利用光谱测温测量电弧温度。结果表明模拟结果同试验结果吻合良好,研究结果为合理选择GMAW双丝焊焊接电流参数提供理论依据。     

中厚板铝合金光纤激光+MIG复合热源焊残余应力的数值分析

基于热弹塑性理论性,建立铝合金激光+熔化极惰性气体保护焊(Metal inert gas,MIG)复合热源焊残余应力的三维数值分析模型。激光和电弧热输入分别采用双椭球体热源模型和热流密度峰值指数递增的锥体热源模型描述。利用所建模型,通过ANSYS有限元软件对12 mm厚铝合金复合焊对接接头残余应力进行模拟计算,研究其分布特征,并与MIG焊的计算结果进行比较。同时,将温度场与残余应力的计算结果与试验结果进行对比,验证模型的准确性。研究结果表明,在焊缝及近缝区,纵向拉应力及等效残余应力较大,两者应力峰值均低于材料的屈服强度。而相较于电弧作用区域,激光作用区域残余应力相对较高。焊趾处横向残余表现为拉应力,但应力峰值相对较低。与MIG多层多道焊相比,复合焊纵向应力和等效应力高应力区域明显较窄;焊件上表面复合焊应力峰值小于MIG焊,但下表面应力峰值则较MIG焊大。     

双丝旁路耦合电弧高效熔化极气体保护焊双变量解耦控制模拟与试验分析

双丝旁路耦合电弧高效熔化极气体保护焊是一种新型、高效的焊接方法。针对其在开环条件下焊接过程不稳定、焊缝成形差的问题,提出通过旁路送丝速度控制旁路弧长从而保证焊接过程稳定性、通过控制旁路电流调节流经母材电流的双变量解耦控制方案并进行模拟与分析。在此基础上,采用快速原型控制系统,设计双丝旁路耦合电弧高效熔化极气体保护焊试验系统并进行双变量解耦控制焊接试验。结果表明,双丝旁路耦合电弧高效熔化极气体保护焊双变量解耦控制方案可以有效地保证焊接过程与流经母材电流的稳定,与模拟结果基本一致;并且由于采用解耦算法,控制过程稳定性更好、响应速度更快、精度更高,并得到成形良好的焊缝,焊接过程飞溅也较小。     

铝合金变极性等离子弧焊温度场数值模拟

通过高速摄像对正、负极性等离子弧形态进行分析,并分析变极性等离子电弧正、反极性不同产热机理的基础上,采用“高斯+双椭球”组合热源模型,建立正、反极性期间不同热源模型。采用ANSYS参数化设计语言(ANSYS parametric design language, APDL)编程语言实现与实际变极性焊接参数对应热载荷的循环交替加载,计算出铝合金变极性等离子弧焊接温度场及熔池形状。对比分析不同变极性电流和焊接速度条件下焊接熔池的穿透深度,并通过实际焊接试验验证热源模型的准确性。研究结果为准确掌握铝合金变极性等离子弧热源形态、产热机理和等离子弧力等特性,并合理选择焊接工艺参数提供理论依据。     

铝合金LB-VPPA复合焊接热源模型

激光-变极性等离子弧(Laser beam-variable polarity plasma arc,LB-VPPA)属双高能束新型复合焊接热源。采用Y4-S2型高速摄像检测了LB-VPPA复合焊接热源形态,在理论分析复合热源产热机理的基础上,利用Fortran语言对SYSWELD软件热源模型进行二次开发,建立能够实现正、反极性循环加载的LB-VPPA复合焊接热源模型。经与实际焊接熔池形状对比研究发现,熔池上部采用双椭球体热源,下部采用三维锥体热源,同时在小孔根部植入圆柱体热源的组合式热源模型与实际LB-VPPA复合焊接热源吻合。从模拟6 mm厚7A52铝合金板的VPPA焊和LB-VPPA复合焊接温度场分布结果发现,LB-VPPA复合焊能量更为集中,可以在平焊位置下实现穿孔型焊接。经实际焊接工艺试验验证了上述模拟结果的准确性。因此建立精确的LB-VPPA复合焊接热源模型对开展厚板铝合金LB-VPPA复合高效焊接提供强有力的理论支持。     

Hybrid heat source model designing and parameter prediction on tandem submerged arc welding

In submerged arc welding simulation, the heat source parameters are always decided by experience, and it usually leads to a high simulation error. This work is aimed to develop a methodology for the estimation of the heat source in submerged arc welding. A hybrid heat source model was applied on submerged arc welding simulation. The new heat source model was combined by a surface heat source model and the double ellipsoid heat source model. The surface heat source model was designed based on the Gaussian heat source model. The width and penetration of the weld pool were simulated and compared with the measurement results, and the width at 2?mm depth from the top surface was also considered to describe the shape of the weld pool more accurately. In order to reduce the simulation complexity, the sensitivity of heat source parameters was discussed. The heat source parameter corresponding to different experimental processes was obtained by modified pattern search method. The artificial neural network algorithm and the support vector machine algorithm were applied to predict the relationship between all possible process and the heat source parameters. The validation experiment showed that the prediction model was accurate.     

焊接过程数值模拟热源模型的研究进展

焊接数值模拟是当今材料加工领域的一个研究热点,并得到了越来越广泛的应用,本文介绍了焊接过程数值模拟热源加载模式的研究进展。高斯分布函数、半球能量密度分布函数、椭球、双椭球能量密度分布函数常应用在焊接过程数值模拟中,但计算量大,为了简化计算,开始采用分段移动高斯热源模型,高斯串热源,分段移动双椭球模型,在保证精度的情况下,提高了计算效率,应用生死单元技术可以处理复杂焊接模拟的热输入问题。     

金刚石串珠绳锯切温度的理论研究

针对金刚石绳锯的长锯切弧区及大断续比的加工特点,参考已有的大切深断续磨削温度模型的研究成果,利用移动热源法,建立了金刚石绳锯加工弧区的温度场理论模型。推导出在均布热源和三角形热源作用下的绳锯加工弧区理论温度场。研究结果表明:金刚石绳锯加工弧区内温度呈波动上升趋势;随绳锯转速和进给速度增大,锯切弧区的温度呈上升趋势;断续比值增大,锯切弧区温度随之上升。     

Electromagnetic Characteristic of Twin-wire Indirect Arc Welding

Traditional welding methods are limited in low heat input to workpiece and high welding wire melting rate. Twin-wire indirect arc(TWIA) welding is a new welding method characterized by high melting rate and low heat input. This method uses two wires: one connected to the negative electrode and another to the positive electrode of a direct-current(DC) power source. The workpiece is an independent, non-connected unit. A three dimensional finite element model of TWIA is devised. Electric and magnetic fields are calculated and their influence upon TWIA behavior and the welding process is discussed. The results show that with a 100 A welding current, the maximum temperature reached is 17 758 K, arc voltage is 14.646 V while maximum current density was 61 A/mm2 with a maximum Lorene force of 84.5 uN. The above mentioned arc parameters near the cathode and anode regions are far higher than those in the arc column region. The Lorene force is the key reason for plasma velocity direction deviated and charged particles flowed in the channel formed by the cathode, anode and upper part of arc column regions. This led to most of the energy being supplied to the polar and upper part of arc column regions. The interaction between electric and magnetic fields is a major determinant in shaping TWIA as well as heat input on the workpiece. This is a first study of electromagnetic characteristics and their influences in the TWIA welding process, and it is significant in both a theoretical and practical sense.