焊接热源计算模式的研究进展

总结了计算焊接温度场过程中焊接热源模式的改进过程。首先讨论了传播学中常用的以集中热源为基础的线热源与面热源的解析模型、以及能量在空间以高斯函数形式分布的焊接热源模式,以高斯分布函数为基础,引出了半球能量密度分布的热源模式、椭球能量密度分布的热源模式、双椭球能量密度分布等焊接热源模式。并对比了不同热源分布函数对计算结果的影响,讨论了不同焊接计算过程中对热源函的选择。结果表明,通常的工程运算仍可采用解析模型函数进行化计算,高斯分布函数、半球能量密度分布函数、椭球能量密度分布函数常应用在有限元计算过程中,但由于未精确考虑电弧对熔池的冲击作用,在熔池附近有一定误差,而双椭球能量密度分布的热源模式,不仅可以处理一般的电弧总力小的焊接热源,也可以处理具有强烈穿透作用的激光焊和电子束焊过程的焊接热源,进一步提高焊接热源循环的计算精度。     

网格尺寸对双椭球热源模型作用下焊接温度场计算的影响

文中以Q345E薄板对接焊焊接过程为研究对象,基于双椭球功率密度分布体热源模型,利用ABAQUS有限元软件建立其1/2模型,通过数值模拟研究了不同网格尺寸对焊接温度场的计算精度和计算效率的影响,结合数值积分计算,分析比较了不同网格尺寸下,理论热输入与实际热输入的差别,提出了适宜的网格尺寸.计算结果表明,随着网格尺寸的不断减小,收敛时间变长,CPU计算时间变长,焊接温度场的最高温度、焊接熔池的宽度和深度减小;当网格尺寸减小至双椭球功率密度分布热源深度方向长度的1/2时,理论热输入与实际热输入偏差较小,得到的焊接温度场最高温度、焊接熔池宽度和深度也趋于恒定.     

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.     

热源形状参数对薄板焊接残余应力和变形的影响

采用热-弹-塑性有限元方法模拟焊接残余应力和变形时,对于移动热源模型形状参数的选取,在大多数情况下大都是根据研究者的经验来确定.然而对于热源模型形状参数对焊接残余应力和变形的影响尚不十分明确.基于ABAQUS有限元软件,以高强钢SM490A单道TIG焊为例,通过建立三维有限元模型和采用双椭球体积移动热源模型,研究了热源模型形状参数对焊接残余应力和变形的影响.结果表明,热源模型形状参数对焊接残余应力影响较小,而对焊接变形,尤其是对角变形有一定程度的影响.     

Numerical Simulation and Experimental Investigation of Residual Stresses in the Circumferential Butt GTAW of Incoloy 800H Pipes

The residual stresses developed during the circumferential butt gas tungsten arc welding (GTAW) process of Incoloy 800H pipes were simulated using the finite element method. A decoupled thermostructural model was developed in three dimensions. The element birth and death technique was used for the addition of filler material in the weld pool. The Goldak double ellipsoidal model was used to simulate the distribution of arc heat during welding. The plastic behavior of the material was described by Von Mises yield function and the bilinear kinematics hardening was assumed. To validate the thermostructural model, both temperature and residual stress distributions within the pipes were measured using thermocouples and strain gages, respectively. Good agreements were found between the experimental and simulation results. The model was then used to predict distribution of residual stresses during the GTAW of Incoloy 800H pipes and to study effects of process parameters on the residual stresses.     

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.     

铝合金搅拌摩擦焊热源模型建模专家系统

在铝合金搅拌摩擦焊三维体积热源模型建模过程中,轴肩、搅拌针侧面以及搅拌针底面摩擦产热的热流密度加载范围存在不确定性,需校核确定,增加了建模难度。针对该问题,建立三维搅拌摩擦焊热源模型,并确定其不确定热源模型参数,研究了这些参数变化对焊缝温度场的影响规律。在此基础上,基于参数变化影响规律建立了搅拌摩擦焊热源模型参数库,设计了推理规则,形成实现快速建模的铝合金搅拌摩擦焊热源模型专家系统。基于搅拌摩擦焊实验温度场结果验证了专家系统功能,该系统显著降低了搅拌摩擦焊数值模拟建模难度,有利于促进铝合金搅拌摩擦焊数值模拟技术的普及应用。     

结合型分布带状分段移动热源模型

在数值模拟分析大型焊接结构的焊接残余应力和变形时,可以采用分段移动带状热源模型以便提高计算效率.为此,首先试验分析了不同焊接速度对焊接温度场带状特性的影响.并在已建立的结合型分布圆形热源模型的基础上,推导出了结合型分布带状分段移动热源模型的节点热流与加载时间的计算公式.结果表明,焊接速度大于4mm/s时,较长区段的温度场已经具有带状分布特点.此外,与高斯分布带状分段移动热源模型的节点热流与加载时间的计算公式相比,推导出的公式不但与总的热输入量有关,还与电弧和熔滴的热量分配比有密切的关系.     

多丝埋弧焊工艺条件对热源参数的影响

为获得多丝埋弧焊的不同电流、电压情况下的热源模型参数,对双椭球热源模型进行了改写.采用有限元的方法,考虑了双丝焊的电弧偏转,对多丝埋弧焊的温度场与热循环进行了计算.结合有限元模拟结果和试验测量结果,通过模式搜索法对不同工艺参数条件下的双椭球模型参数进行了反演计算,获得了双椭球热源模型参数的变化规律.对特定工艺情况以及三...     

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。     

基于ANSYS优化设计求解双椭球热源模型参数

为实现双椭球热源模型（double ellipsoidal heat Source model,DEHSM）参数自动化求解,基于ANSYS优化设计,提出一种新的DEHSM参数求解方法.根据提出的方法,利用VB语言开发了DEHSM参数求解程序,分析了程序失效原因,给出了处理对策;对四种不同的焊接工艺参数,采用开发的程序求解了DEHSM参数,并比较了熔宽、熔深的计算值与实测值的差异.经实例验证表明,在保证求解精度的前提下,提出的方法和开发的程序能够有效地求解DEHSM参数;提出的基于ANSYS优化设计求解热源模型参数的方法及相关优化变量的设置,还可适用于高斯热源、3D锥形热源等其它热源参数的求解.     

Three dimensional numerical simulation of welding temperature fields in stainless steel

Three kinds of mathematical models representing welding heat sources are presented. Among them, Gaussian model and double eUipsoidal model are used to analyze the thermal distributions with finite element method. At the same time, this paper analyzed the influences of the heat source models, the latent heat and the welding parameters on the temperature distributions. The comparisons between the simulated results and the experiments show double eUipsoidal model is good for three-dimensional numerical simulations. Furthermore, the adaptive mesh technique is applied in the three-dimeusional model which greatly reduces the number of nodes and elements in the simulation.     

基于二维焊接温度场检测的三维温度场计算机模拟

采用图象比色法,建立了焊接温度场实时检测系统,快速获取了二维焊接温度场分布。对于低碳钢薄板ＴＩＧ焊,利用实际检测二维温度场分布结果,对各种热源分析模型进行了验证,得到双椭圆热源分布模型二维温度场计算结果与实际温度检测结果最为接近。利用双椭圆热源分布的数值计算模型和实际检测二维温度场分布结果作为边界条件,获得了整个焊件更宽温度范围和三维温度场分布的在线模拟。正反熔宽模拟计算结果与实际的结果吻合。     

Ti3Al金属间化合物电子束深熔焊接过程数值模拟

基于有限元法，采用改进的双椭球热源模型，对电子束深熔焊接Ti3Al过程进行了移动热源条件下准稳态三维温度场的数值模拟。该模型复合了熔深与电子束参数及材料性质的关系，考虑了对流和辐射散热、相变潜热、材料热物理性能参量随温度的变化以及液态金属的对流传热。通过比较熔深、熔宽的计算值和实际测量值，验证了该模型在电子束焊接温度场模拟中的适用性。     

双丝焊温度场仿真的热源模型研究

分别以高斯热源模型及双椭球形热源模型为基础,推导出两种模型用于双丝焊的计算公式,建立了合适的有限元模型。在充分考虑各种边界条件下,对两种模型所建立的温度场进行了计算,得到25钢的双丝焊接瞬态温度场的分布规律。两种模型的仿真结果与工艺试验结果比较表明,双椭球形热源模型比高斯热源模型更适合双丝焊的三维有限元分析。     

不锈钢焊接温度场的三维数值模拟

分别详细分析了焊接热源的三种计算模型即高斯热源模型、双椭圆高斯热源模型及双椭球热源模型的数学表达式与物理特点。利用三维有限元网格划分技术，对工件进行网格划分，并采用网格自适应技术对焊缝金属的网格进行自动加密与生成，为缩短焊接过程数值模拟时间创造了条件。在此基础上又对其中两种焊接热源模型所建立的温度场进行了计算，得到了不锈钢SUS310材料温度场的分布规律，研究了各种参数对温度场分布的影响，并与工艺试验结果进行了比较，提出了适合三维有限元分析的最佳焊接热源模型。     

双丝焊温度场仿真的热源模型研究

分别以高斯热源模型及双椭球形热源模型为基础，推导出两种模型用于双丝焊的计算公式，建立了合适的有限元模型。在充分考虑各种边界条件下，对两种模型所建立的温度场进行了计算，得到25钢的双丝焊接瞬态温度场的分布规律。两种模型的仿真结果与工艺试验结果比较表明，双椭球形热源模型比高斯热源模型更适合双丝焊的三维有限元分析。     

电弧热流分布模式对GMAW焊接温度场的影响

提出了ＧＭＡＷ熔池表面产生较大变形时的电弧热流分布模式,以此为基础并考虑熔滴过渡过程及焊缝余高,建立了焊接温度场的数值分析模型,通过数值模拟,定量分析了焊接工艺参数－ＧＭＡＷ熔池表面变形－电弧热流分布－熔池形态及其温度是之间的相互影响。焊接工艺试验结果,与高斯热源模型相比,采用本文给出的ＧＭＡＷ电弧热液分布模型的计算结果更符合实际。     

焊接过程数值模拟热源模式的比较

焊接热源模式是焊接数值模拟研究的一个重要内容.文中简要介绍了焊接过程数值模拟热源的各种加载模式:高斯分布函数、双椭球分布函数、生死单元方法.针对具体算例,采用3种不同的热源加载模式进行三维焊接温度场的数值计算,并比较不同方法计算焊接温度场结果的差异.结果表明,生死单元方法是一种简单的热源加载模式,其计算效率优于其他2种加载方法.     

镁合金真空电子束深熔焊接及焊缝成形数值模拟

对10mmAZ61镁合金板材进行了真空电子束深熔焊接数值模拟研究.考虑到焊接过程中高温金属蒸气等离子体的热效应及真空电子束焊接"匙孔"深熔热效应特征,建立了高斯面热源与双椭球体热源复合的移动热源模型,采用数值模拟的方法研究了镁合金真空电子束焊接温度循环特征及不同焊接工艺对焊缝成形的影响.结果表明,建立的复合热源模型能够获得电子束深熔焊接的效果,并可模拟不同焊接工艺下的温度场分布与电子束热源作用下的焊缝成形,这也证明了该模型在AZ61镁合金电子束平板焊接的热效应模拟中有较好的适用性.