用自适应热源模型模拟深熔焊小孔的形成过程

激光深熔焊中小孔的动力学行为对焊接质量具有重要的影响。该文建立了随小孔深度变化的自适应热源模型,应用VOF(volume of fluid)算法跟踪小孔自由表面,对深熔焊小孔形成过程进行了数值模拟,分析了小孔形成过程中孔壁的变化、熔池的流动行为和温度分布。结果表明:液态金属的流动方向随小孔深度的不同发生变化;底部的液态金属在蒸发压力驱使下沿小孔壁面向上流动形成的漩涡可能是小孔壁面不稳定的原因。     

激光深熔焊接运动熔池的动力学行为数值分析

针对连续激光深熔焊接,考虑表面张力、气化压力、浮力和液固之间内部作用力,以及熔池内层流、辐射和气液界面传热传质等因素,建立连续激光深熔焊接激光热源随熔深变化的自适应模型和小孔填充模型,并对熔池的深度、温度分布、流场分布以及相同焊速、不同功率下小孔的动态演变过程进行分析.结果表明:运动熔池形成过程中,焊速为0.08m/s,功率分别为1 600、2 000、2 400W,焊接时间t7.2ms时,小孔深度随时间成线性增长,当焊接时间t7.2ms时,小孔深度值发生高频振荡,但深度平均值趋于稳定;随着激光光束的移动,熔池金属绕过小孔,从小孔前部熔池流向后部形成环流,凝固形成"鱼鳞状凝固线".     

7075-T6铝合金薄板激光对接焊温度场与残余应力分布

为了研究铝合金薄板激光对接焊温度场与残余应力分布,推导了考虑焊接深度的热流密度分布的修正函数.利用生死单元技术,运用ABAQUS软件、FORTRAN和PYTHON语言编写的子程序,建立了7075-T6铝合金薄板激光对接焊的有限元模型,获得了在不同时间点的对接焊温度场和残余应力分布,采用梯度网络提高了有限元模型的运算速度和计算精度.研究结果表明:建立的有限元模型能够快速、有效模拟铝合金薄板激光对接焊温度场和残余应力分布;残余应力存在误差的原因,可能在于激光焊接过程中,热源经过横截面时产生的剪切挠曲所致.试验结果同时也验证了有限元模型的正确性和可行性.     

水火弯板数值模拟中热源模型参数研究

水火弯板热源热流密度模型的选取和定义，是水火弯板数值模拟中一个关键问题．采用高斯分布热流密度模型对水火弯板中的气体火焰热源展开了研究，利用实验和数值模拟相结合的方法，通过在一定范围内调整热流密度模型中的热源半径r和热效率η等参数．使数值计算的温度场分布趋近于实验测量的温度场分布，确定了水火弯板热源热流密度模型．在一定丙烯流量范围内，分析了热源半径和热效率的插值偏差对计算结果的影响，结果表明该模型能够满足水火弯板数值计算的精度要求．算例验证了该热源模型在有限元计算中的可靠性．     

深熔激光焊接熔池温度场的数值模拟

利用旋转GAUSS曲面体新型热源模型,忽略深熔激光焊时小孔对传热的影响,建立了移动激光热源作用下的三维数学模型。利用PHOENICS3.4软件,模拟了SUS304不锈钢深熔激光焊接热过程的温度场和熔池熔合线形状,得到了不同焊接速度下的温度场分布云图和＂钉头＂状的熔池形状,试验表明数值模拟结果与试验结果基本吻合。     

激光深熔焊接下临界功率的确定

在准稳态传热控制模型的基础上,推导了激光焊接热传导问题的有限差分方程。改变热物性参数(比热)替代相变潜热确定了热传导焊接的临界温度值,利用自编的MATLAB程序对有限差分方程进行求解,数值模拟了焊件的温度场。当材料表面刚好出现汽化时,激光焊接处于热传导焊与深熔焊之间的临界状态。在此临界状态下材料处于固相,可以避开材料的相变而简化模型。在此基础上,数值模拟了激光焊接时工件的热传导温度场,得到激光深熔焊接下临界功率的变化规律,即激光焊接的下临界功率随焊接速度的增加成一定比例地增加,为激光精密焊接中工艺参数的确定提供理论指导。     

激光对接异厚度铝/钢熔钎焊温度场及残余应力场的数值模拟

以厚度为2mm的5A06铝合金板和1mm热镀锌ST04Z钢对接熔钎焊实验为研究对象,采用ANSYS有限元软件,建立截面的热流分布半径沿厚度方向呈线性衰减的平面高斯三维锥体热源模型,基于所建立的热源模型对温度场和应力场进行耦合分析,得到焊接过程中的温度场和残余应力分布.结果表明:由于材料不同,2板的温度场和应力场存在差异,铝板上温度场范围大于钢板,熔池尺寸较钢板偏大;钢板焊缝附近的应力场范围较大,变形比铝板大。将模拟值与实测值进行对比分析,结果显示模拟值与实测值吻合较好.     

不锈钢厚板K-PAW三维瞬态温度场的数值模拟

采用复合三维锥体热源模式,针对小孔等离子弧焊接工艺条件,建立了适合于K-PAW焊接不锈钢0Cr18Ni9厚板三维动态焊接热过程的数学模型和物理模型。利用所建立的模型,综合考虑材料的热物理性能参数、相变潜热与温度的非线性关系,计算了K-PAW熔池形状及三维温度场的动态演变,并将温度场的数值计算结果同实验结果进行了比较,表明上、下表面的熔池宽度及熔合线在焊件内部的走向计算结果与实测结果吻合较好,证明复合三维锥体热源模型能够较好地反映K-PAW电弧的热流密度分布。     

激光焊接温度场解析计算

提出了一种激光焊接温度场的解析计算方法,将激光作用下形成的小孔区域作为均匀吸收介质,导出介质热源的功率分布三维解析式,以及由该热源引起的无限大薄板的温度场分布解析式。计算和实验验证该解析式的正确性,理论计算和实验结果符合较好,当小孔深度为零时,介质热源即为表面热源,所得到的解析式与其它热传导焊理论解析式一致。     

异厚度铝锂合金激光焊接温度场数值模拟研究

对异厚度铝锂合金激光拼焊的温度场进行ANSYS三维瞬态有限元分析。用过渡网格划分网格以保证焊缝处网格足够细小,从而提高计算精度和效率。热源模型选取高斯函数分布,移动热源的加载则利用ANSYS软件的APDL语言编写程序实现,同时利用多步循环来实现对激光焊接过程的模拟,得到相应的温度场分布。从模拟结果可看出,激光焊接过程温度场呈椭圆分布,焊件上形成了准稳态温度场。薄厚两板温度场存在差异,薄板温度场范围、熔池尺寸、熔化范围均大于厚板。为研究材料在激光加工过程的性能改变提供参考。     

移动热载荷在焊接温度场数值模拟中的应用

为分析焊接过程中焊件温度场随焊接热源移动变化情况,采用ANSYS命令流编制参数化程序,动态填充热流密度表,实现移动热载荷的加载;针对薄板堆焊,选用高斯热源模型,进行了焊接温度场数值模拟.数值模拟结果表明,所采用命令流动态加载热载荷的方法,能够较好地模拟实际焊接过程中的热源移动情况;针对其他的焊缝形状和焊接方法,可通过更改命令流程序参数的设置,获得适合的移动热源移动轨迹和热源模型的数学描述,实现焊接温度场的数值模拟.     

激光-等离子弧复合焊熔池的流动特性

为了研究激光-等离子弧复合焊接熔池流动特性,该文建立了焊接过程中液相区、糊状区和固相区的三维模型,采用体热源来模拟小孔效应,并利用有限控制容积法计算了复合焊接熔池的流场和温度场,重点研究了表面张力和电磁力的作用。数值分析结果表明:表面张力流是决定复合焊熔池流动的主要原因,是影响焊接成形的主要因素;与表面张力流相比,电磁力流的强度较低,但可增加熔深和下表面熔宽。针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与试验相符合。     

Fe-Mn-Si记忆合金激光焊接数值模拟

利用有限元方法,对Fe-Mn-Si记忆合金平板激光对接焊的温度场和应力场进行三维数值模拟。根据激光焊接特点,建立表面高斯热源和锥形体热源结合的复合热源模型,并编制APDL子程序实现焊接热源的加载和移动。结合材料非线性、相变潜热、边界换热条件等因素,通过模拟计算得到焊接过程中瞬态温度场分布和熔池尺寸,并分析整体温度场分布、焊接热循环特性。焊缝熔合线和尺寸的模拟结果与实际结果吻合良好,验证了模型的正确性。在温度场计算结果基础上,利用间接耦合法,对Fe-Mn-Si记忆合金激光焊的动态应力场和残余应力进行模拟计算,得到焊后最大残余应力为247 MPa,接近其屈服强度。     

选区激光熔化激光能量在TC4粉末中分布特性研究

为了研究粉末分布对选区激光熔化过程中能量吸收的影响，提出具有更高精度的热源模型，通过最速下降和坐标轮换相结合的方法获取粉末颗粒的分布，依据射线追踪原理统计粉末床对激光能量的吸收情况，分析了粉末分布对激光能量吸收的影响，并按照能量分布特性，提出了考虑粉末影响的新热源模型。结果表明：通过最优化方法构建的粉末模型，避免了物理参数估计的误差，与实验结果仅有4%的误差；能量吸收在深度方向有减弱的趋势，在水平方向近似满足正态分布，由此构建的热源模型应用于熔池预测，熔池宽度误差为6.4%,连接处宽度误差为9.6%。该文提出的基于粉末分布的热源模型更准确地描述了能量的分布，提高了温度场的仿真精度，可对后续更精确的温度场仿真技术研究提供一定的参考。     

双束电子束焊接温度场的数值模拟

结合数值模拟和实验,研究了双束电子束焊接过程的温度场.根据对电子束的能量分布的测试数据,考虑电子束焊接的小孔效应和电子的散射和反射,得到了电子束焊接过程真实的能量输入.将该能量输入通过有限元软件的子程序实现加载,得到双移动热源,同时考虑到焊接材料的非线性,得到有限元数值模型,进行了数值模拟,并在相同条件下进行了多组实验.数值模拟和实验表明: 焊缝特征和温度场都与2个热输入的比例有关, 2个温度场是相互影响的;在小热源的焊接路径上,会出现2个热循环峰值.     

激光-等离子弧复合焊熔池的流动特性

为了研究激光-等离子弧复合焊接熔池的流动特性,该文建立了焊接过程中液相区、糊状区和固相区的三维模型,采用体热源来模拟小孔效应,并利用有限控制容积法计算了复合焊接熔池的流场和温度场,重点研究了表面张力和电磁力的作用。数值分析结果表明:表面张力流是决定复合焊熔池流动的主要原因,是影响焊接成形的主要因素;与表面张力流相比,电磁力流的强度较低,但可增加熔深和下表面熔宽。针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与试验相符合。     

焊接温度场的三维动态有限元模拟

焊件在快速加热和冷却过程中温度场的正确描述是进行组织转变和焊后接头力学性能分析的前提条件．焊接温度场的准确计算必须建立起准确的热传递数学模型和符合焊接生产实际的物理模型．文中采用Goldak热源分布模型，将熔池看成是双椭球的盘，其表面上热量是按高斯分布的函数，内部用双椭球函数来表示其分布，并应用SYSWELD软件的校正工具，根据具体的焊接工艺和条件对热源进行校正；考虑了材料热物理性能参数与温度的非线性关系，建立了焊接过程的数学模型和物理模型，以低合金结构钢的堆焊为例，对其温度场进行了三维动态模拟．其结果与实验值完全吻合．     

圆锥形小孔内等离子体的反韧致辐射吸收研究

在假设小孔为圆锥形的基础上，按照几何光学理论，通过跟踪光线在小孔内的多次反射轨迹，对激光深熔焊接小孔内等离子体的反韧致辐射吸收进行了详细研究．计算了小孔孔壁通过孔内等离子体的反韧致辐射吸收的激光功率密度，分析研究了孔壁的多次反射次数、圆锥形小孔的锥项角以及圆锥形小孔的直径等因素对孔壁上的激光功率密度分布的影响．通过比较小孔内等离子体的反韧致辐射吸收的激光功率密度和小孔孔壁上的多次反射吸收的激光功率密度，分析了两种能量吸收机制在小孔形成和维持过程中所起的不同作用．     

基于APDL的双丝高速焊瞬态温度场仿真

根据叠加原理推导出双丝焊的高斯热源计算公式,建立适当的有限元模型,对双丝高速焊接过程中温度场的瞬态变化进行动态仿真.用AN SY S软件的APDL语言编写程序,采用表数组存储热流密度矩阵,形成统一的面载荷,实现焊接热源的移动.最后给出焊接熔池的仿真结果.     

组合热源模型下焊剂片约束电弧焊温度场预测

通过反演法将高斯面热源与柱型体热源耦合构建成组合热源,再运用软件ABAQUS对焊剂片约束电弧焊高强钢T形接头在此组合热源作用下形成的温度场进行数值模拟.模拟过程中着重考虑了夹具与工件之间的接触传热.通过将模拟结果与实验结果对比,发现模拟与实验所得焊缝形貌、以及各测试点焊接热循环曲线基本吻合,从而验证了有限元分析中使用该组合热源模型预测焊剂片约束电弧焊温度场的可行性和有效性.对T形接头温度场分布研究发现,模拟的T形接头的面板和芯板在厚度方向温度分布均匀.对热循环曲线的分析中发现,夹具在工件冷却阶段的作用明显,为此对焊接热影响区范围进行数值预测,预测结果与实验结果吻合.