5A06铝合金间断焊温度场的数值模拟

在红外测温实验的基础上,采用由表面高斯热源和内部双椭球热源组成的复合热源,对5A06铝合金筒形结构间断焊角焊缝的温度场进行了有限元数值模拟．模拟中综合考虑了对流、辐射等边界条件对焊接热过程的影响,对复合热源的各项参数进行了计算和校正、根据双椭球热源参数的定义,设计了相应的正交试验,采用解析法对热源参数进行计算并做了多指标回归分析．与红外测温结果相比,模拟的熔池形状较为准确,焊接热循环过程中温度误差约为7％．结果表明,表面高斯热源和内部双椭球热源组合的复合热源模型对计算铝合金MIG（熔化极氩弧焊）焊温度场是可行的．     

焊剂片约束电弧焊T形接头温度场有限元模拟

为了研究构成I型金属三明治板的基本焊接单元T形接头在焊剂片约束电弧焊(flux bands constrained arc, FBCA)作用下的温度场分布规律,以非线性有限元软件ABAQUS为平台,开发了适用于FBCA焊接T形接头温度场计算的有限元方法.对比了计算结果与测量结果的同时,研究了面板与芯板各自路径上的热量分布情况.结果表明：FBCA焊T形接头面板部位温度场沿焊缝中心呈对称分布,接头热量主要集中作用于面板处.采用复合热源模型计算所得特征点热循环曲线分布规律与实际红外热像仪测量结果重合度较高,计算所得焊缝截面温度分布形貌和热影响区宽度与实际接头形貌相吻合,有效验证了复合热源模型计算FBCA焊接T形接头温度场的准确性.     

6061-T6铝合金薄板双脉冲MIG焊动态组合热源模型

为准确得出铝合金薄板双脉冲熔化极惰性气体保护焊（双脉冲MIG焊）焊接温度场分布特征,提出一种基于铝合金薄板全熔透焊接热量分布及焊缝成形特点的动态组合热源模型,通过编写子程序,对有限元软件进行二次开发,实现动态组合热源模型在空间上的分布加载,得出仿真过程焊缝形貌及温度场分布特征. 对2 mm厚6061-T6铝合金薄板进行双脉冲MIG焊对接焊接实验,得出焊缝形貌特征并记录测温点温度数据,绘制测温点的热循环曲线. 对比仿真与实验结果发现,对于铝合金薄板全熔透焊接,利用动态组合热源模型得出的焊缝形貌与实际焊缝形貌拟合较好,温度场仿真误差在允许范围内,最大误差点出现在距焊缝20 mm处,最大误差为12.25%.     

焊缝层数对特厚度管板焊接残余应力与变形影响的有限元分析

基于ABAQUS软件,建立了顺序耦合的焊接残余应力与变形有限元计算程序,对大型环氧乙烷（EO）反应器国产化中采用的390 mm厚20MnMoNb特厚板拼焊反应器管板的焊接过程进行了残余应力与变形计算,并讨论采用不同焊缝层数对管板焊后残余应力与变形的影响.焊接采用双U形坡口,通过翻转管板进行两面坡口的交替焊接,为防止管板发生过度变形,焊接时始终在管板两端压有重量为4.5 MN配重.计算结果表明：焊后管板发生了一端翘起的角变形,在靠近表层的焊缝及热影响区存在较大残余拉应力,在焊缝内部为较大的残余压应力;由于配重对变形的限制导致先焊面的应力大于后焊面;增加焊缝层数,使变形增加,残余应力降低,但并不显著.对如此大型特厚板约束焊,增加焊缝层数不是降低其焊接残余应力的有效手段.     

中厚、薄板快速电弧焊热循环数学模型

从电弧焊热源(电弧)在中厚、薄板对接焊时以一定速度匀速移动的实际情况出发,建立了比较适用的焊接热影响区的热循环方程,并根据焊接热影响区中某点的t8/5(或t8/3)在焊接条件不变的前提下和该点与热源的距离基本无关这一事实,推导出不含被焊材料的定压比热容、热导率、密度、热扩散率等物理性能以及焊接热输入、焊接速度和板厚等参数,只含有热循环峰值温度Tmax、焊件初始温度T0及t8/5(或t8/3)等参量的热循环数学模型,从而简化了计算,方便了应用.     

中国低活马氏体钢TIG焊温度场接头组织分析

以我国自主研发的中国低活马氏体钢(China low activation martensitic steel,简称CLAM钢)为研究对象,应用ANSYS有限元分析软件建立了单面双层焊三维有限元数学模型,对CLAM钢TIG焊接过程进行有限元分析,选用双椭球热源作为体载荷进行加载计算,并运用APDL参数化语言及生死单元技术实现了模拟过程中焊接热源的移动加载及焊缝金属的逐步填充.分析了CLAM钢在焊前预热情况下瞬态温度分布情况和熔池形状的动态变化过程,并对CLAM钢焊后显微组织和焊接接头硬度进行了分析,为CLAM钢TIG焊的研究提供参考.     

边界约束对中厚板焊接残余应力的影响

基于已有试验数据及有限元模型计算结果,对约束、自由边界下中厚板焊接残余应力进行了数值模拟,通过改变热、力学边界,得到了焊前预热、焊后热处理,力学约束程度、约束距离改变对不同外边界焊接残余应力的影响。结果表明：预热将显著降低热影响区残余应力,约束条件下母板残余应力的降低与预热温度成正相关,自由边界残余应力基本不受预热影响;焊后热处理使得高温非线性区(焊缝及热影响区)纵、横向残余应力降低,约束条件下横向应力在整个母板表面改变明显,而自由状态下纵向应力仅在板边缘发生波动;约束增强仅增大应力值,不改变应力分布趋势;板端约束对残余应力的影响存在单向性,横向约束的改变对纵向残余应力的影响可以忽略;约束大小保持不变,约束距焊缝的远近程度的改变对近缝区残余应力的影响较小,有限元计算在保证一定精度的前提下可以适当的减小建模尺寸以提高求解速率。     

基于带状热源的摆动焊接温度场数值模拟

在高斯热源的基础上,推导出模拟电弧摆动的带状热源模型,并基于该热源模型,以20.钢平板对接接头为研究对象,运用ANSYS有限元分析软件,对其摆动焊接过程的温度场进行了数值模拟,获得了其焊缝区的瞬态温度场以及各节点的焊接热循环曲线.模拟结果表明:摆动焊接过程中,当热源接近时,焊缝附近节点的温度瞬时上升至1000℃以上,热源经过后,温度又降至200℃以下;与焊接方向垂直截面处节点的最高温度值随节点远离焊缝中心而逐渐降低;焊缝附近节点温度为200℃以下时,升温速度平缓,200℃以上则升温速度明显增大;摆动焊接过程中,焊件上形成宽而短的近似于圆形的熔池.     

弧焊机器人焊缝位置的电流检测法

本文介绍了弧焊机器人在进行“Ｖ”型坡口对接焊或角接焊时,为了跟踪焊缝轨迹而进行的焊缝位置检测方法－电流检测法,通过对焊接电流信号的数字处理,提取了反映焊枪与焊缝相对位置的特征信号,定时向机器人控制器提供修正信号,从而使固定在机器人手臂上的焊枪准确地跟踪焊缝。     

搅拌摩擦焊接过程温度场动态仿真

推导了一种简易直观的搅拌摩擦焊接热源模型,并将模型应用于焊接过程温度场动态仿真,得到了焊接过程中不同时刻和位置处的热循环曲线,确立了温度场在时间和空间上的分布规律,并研究了不同焊接工艺参数时的温度场.结果表明:焊接最高温度为496.5℃,低于铝合金的熔点;沿焊缝不同位置处的温度值依次从初始温度迅速升高到最高温度500℃左右,然后又缓慢回复到初始温度附近;离焊缝越近,温度升高得越剧烈,最高温度越高;焊接工艺参数对搅拌摩擦焊接过程温度场影响显著.     

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.     

Thermal Tensioning Effects to Prevent Welding Buckling Distortions in Manufacturing of Thin-Walled Aerospace Shells and Panels

To prevent buckling distortions of thin-walled elements, Low Stress No Distortion welding techniques have been pioneered and developed for product engineering and component manifacturing of aerospace structures with material thickness less than 4 mm. In this paper, the nature of Low Stress No Distortion （LSND） welding techniques using thermal tensioning effects is described and special emphases are given to the mechanism of localized thermal tensioning effect. The fundamental principle of Low Stress No Distortion welding is to create active in-process control of incompatible （inherent） plastic strains and stresses formation during welding to achieve distortion-free results implying that no post weld costly reworking operations for distortion correction is required. Finite element analysis is applied to predict and optimize the localized thermal tensioning technique with a trailing spot heat sink coupled to the welding heat source. Comparisons of the thermal elastic-plastic stress-strain cycles are given between conventional gas tungsten arc welding and GTAW with a trailing spot heat sink.     

厚板双面双弧焊机器人任务规划及仿真

针对低合金高强钢厚板生产效率低下,采用双面双弧不清根焊接工艺为实现机器人智能化焊接提供了可能.采用离线仿真结合集散控制实现了多种焊接方法、多个任务和多种机器人复杂焊接系统的集成.通过建立指令目录实现了多机器人编程指令的管理,设置指令目录的指令执行条件实现机器人间运动时序关系的控制,最终实现了多机器的编程与仿真.建立集中控制中心,根据工艺要求和机器人执行条件对多任务进行规划管理,实现厚板双面机器人自动化焊接任务.     

手工电弧焊与CO2气体保护焊焊缝成形特征研究

采用手工电弧焊与CO2气体保护焊对Q235钢板进行表面堆焊,研究了两种焊接方法的焊缝成形特征．结果表明,虽然手工电弧焊是气渣联合保护,有利于焊缝成形,但手工操作使得焊接速度难以保证匀速,导致焊缝表面粗糙,焊缝弯曲不平直;并且由于药皮焊条直径粗,导致手工电弧焊热影响区宽．而细丝CO2气保焊由于形成稳定的熔滴过渡,使得焊缝表面波纹细致、美观,焊缝平直,热影响区窄．CO2气保焊能精确控制焊接规范,可通过调节焊接规范来获得良好的焊缝成形,手工电弧焊不能精确控制焊接规范,不利于得到成形良好的焊缝．     

等离子弧焊接熔池温度场的三维数值模拟

建立了运动等离子弧作用下焊接温度场的三维瞬态数值分析模型，以分析等离子弧焊熔池温度分布情况以及焊接电流、焊接速度等焊接工艺参数对其影响情况．综合考虑了液态金属的对流传热和熔池外部的固体导热、材料热物理性能参数随温度的变化、焊件表面的散热以及熔化／凝固相变潜热等对熔池温度场的影响．采用三维锥体热源对小孔型等离子弧焊接过程进行了流体动力学和传热分析，利用ANSYS有限元软件求解所建立的模型，得到了等离子弧焊接过程中温度场的变化情况．模拟结果表明，随焊接电流的增大和焊接速度的减小，熔池体积增加，熔宽和热影响区都增大．试验结果验证了所建立模型的正确性和数值求解方法的可靠性．     

Effects of welding wire composition and welding process on the weld metal toughness of submerged arc welded pipeline steel

The effects of alloying elements in welding wires and submerged arc welding process on the microstructures and low-temperature impact toughness of weld metals have been investigated. The results indicate that the optimal contents of alloying elements in welding wires can improve the low-temperature impact toughness of weld metals because the proeutectoid ferrite and bainite formations can be suppressed, and the fraction of acicular ferrite increases. However, the contents of alloying elements need to vary along with the welding heat input. With the increase in welding heat input, the contents of alloying elements in welding wires need to be increased accordingly. The microstructures mainly consisting of acicular ferrite can be obtained in weld metals after four-wire submerged arc welding using the wires with a low carbon content and appropriate contents of Mn, Mo, Ti-B, Cu, Ni, and RE, resulting in the high low-temperature impact toughness of weld metals.     

中厚板GMAW近缝区焊接传热的边界元计算

依据焊接准稳态传热的边界元计算模型,编制了计算机程序。对中厚板熔化极气体保护焊(GMAW)条件下常见的指状熔深的近缝区传热问题进行了计算,计算结果与实测符合较好。说明用边界元法分析焊接热过程是有效的,为焊接热过程的计算机模拟提供了新的数值分析手段。在进行焊接近缝区传热计算时,如果以熔池边界直接作为热源,则忽略材料热物理参数的非线性对计算精度没有明显的影响,因此焊接近缝区传热计算的关键是熔池形状的确定问题。     

CO2气体保护焊温度场的数值模拟

为了研究强制对流对气体保护焊温度场的影响，通过红外热像仪检测了CO2气体保护焊的温度场，发现在熔池及其邻近区域温度呈圆锥型分布．在此实验结果的基础上，确定了2．0mm的高斯热源热流分布参数．在详细分析多种对流边界条件下，通过ANSYS对有强制对流效果的气体保护焊温度场进行了数值模拟．确定了适用于有强制对流效果的气体保护焊的对流边界条件计算公式．对焊接温度场的峰值温度和t8/5等参数的实验结果与模拟结果对比分析表明，强制对流边界条件是气体保护焊温度场尤其是近缝区温度分布数值模拟的关键因素之一．     

模拟焊接电弧负载控制器的研制

分析了采用模拟焊接电弧负载测试弧焊电源外特性和动特性的可行性 ;确定了模拟电弧负载用电阻的制作材料、结构形式 ;明确了模拟电弧负载电阻值的变化规律并研制了实现该阻值变化规律的控制器。