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.     

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。     

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".     

一种超细晶粒钢焊接宽板抗断裂性能的数值评估

800 MPa超细晶粒钢具有优良的综合力学性能,但焊接热作用可能导致焊接热影响区的晶粒长大及局部软化。通过数值分析方法,以800 MPa超细晶粒钢母材性能为参照,对其实际焊接接头的抗断裂性能进行了评估。采用MARC商用软件,对不同中心贯穿裂纹尺寸的母材及其实际焊接接头拉伸板模型进行了三维有限元计算和拉伸过程模拟。焊接方法为脉冲熔化极混合气体保护焊,焊接板的中心裂纹处于焊缝与热影响区之间的熔合区。用作对比的母材板的裂纹尺寸和位置、网格划分、边界条件等与焊接板完全相同。根据计算结果,分析了焊接接头力学不均匀性对应力应变场的影响,并依据全面屈服理论对裂纹张开位移(CTOD)值进行了分析。结果表明,焊接接头的CTOD值均低于同裂纹尺寸的全母材。因此,该拉伸板的抗断裂性能应优于全母材,焊接接头的局部软化并未对结构承载造成不利影响。     

一种超细晶粒钢焊接宽板抗断裂性能的数值评估

800MPa超细晶粒钢具有优良的综合力学性能，但焊接热作用可能导致焊接热影响区的晶粒长大及局部软化。通过数值分析方法，以800MPa超细晶粒钢母材性能为参照，对其实际焊接接头的抗断裂性能进行了评估。采用MARC商用软件，对不同中心贯穿裂纹尺寸的母材及其实际焊接接头拉伸板模型进行了三维有限元计算和拉伸过程模拟。焊接方法为脉冲熔化极混合气体保护焊，焊接板的中心裂纹处于焊缝与热影响区之间的熔合区。用作对比的母材板的裂纹尺寸和位置、网格划分、边界条件等与焊接板完全相同。根据计算结果，分析了焊接接头力学不均匀性对应力应变场的影响，并依据全面屈服理论对裂纹张开位移（CYOD）值进行了分析。结果表明，焊接接头的CTOD值均低于同裂纹尺寸的全母材。因此，该拉伸板的抗断裂性能应优于全母材，焊接接头的局部软化并未对结构承载造成不利影响。     

E级，FH32，FH40钢大线能量焊接的实验研究

大线能量焊接条件下的焊接热影响区(HAZ)组织的转变及粗化,是低合金高强度钢焊接中的主要问题。为了研究低合金高强度钢的焊接性能,采用70 kJ/cm的大线能量埋弧焊对E级和FH32与FH40船板钢分别在热影响区、熔合线附近的冲击韧性及组织转变进行了对比研究。结果表明,E级船板钢在熔合线及1,2,5 mm位置,均能够满足焊接的要求;焊接后的热影响区,铁素体晶粒较细,韧性良好。FH32和FH40钢的热影响区冲击韧性下降。     

E级,FH32,FH40钢大线能量焊接的实验研究

大线能量焊接条件下的焊接热影响区(HAZ)组织的转变及粗化,是低合金高强度钢焊接中的主要问题.为了研究低合金高强度钢的焊接性能,采用70 kJ/cm的大线能量埋弧焊对E级和FH32与FH40船板钢分别在热影响区、熔合线附近的冲击韧性及组织转变进行了对比研究.结果表明,E级船板钢在熔合线及1,2,5 mm位置,均能够满足焊接的要求;焊接后的热影响区,铁素体晶粒较细,韧性良好.FH32和FH40钢的热影响区冲击韧性下降.     

D36高强钢摩擦塞焊焊接接头组织和性能研究

利用自主研发的摩擦塞焊设备对摩擦塞焊圆柱形试样进行试验,试样材料选择D36高强钢,通过温度巡检仪采集焊接过程中温度演化数据,试验后对焊接接头进行宏观形貌、金相组织、硬度以及拉伸性能的研究.结果发现:在焊接过程中,温度先迅速升高,之后缓慢降低,塞孔底部最先升温,温度峰值出现在塞孔侧壁中间处;塞棒端部和塞孔底部带有倒角的试样可以获得无缺陷的焊接接头;焊接接头中母材组织为轧制后的铁素体和珠光体的带状组织,焊缝组织和上部热影响区组织为上贝氏体,而塞孔底部倒角处的热影响区以细小的铁素体和珠光体组织为主;焊接接头的硬度分布一般为母材最低,热影响区次之,焊缝最高;当塞棒端部和塞孔底部的倒角达到4,mm时,摩擦塞焊焊接接头拉伸试验的断裂位置在母材处,保证了焊接接头的拉伸性能.     

焊接应力场测量方法

残余应力作为一个衡量焊接质量好坏的重要参数越来越受到人们的关注,主要从小孔释放法的测量方法、测量设备及计算方法等方面介绍了焊接应力场测量过程及方法,指出了应力场测量的重要性.     

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。     

Hastelloy C-276合金脉冲激光焊接熔池流动行为分析

根据传热学和流体力学基本原理建立瞬态Nd:YAG脉冲激光焊接熔池三维数值分析模型,研究Hastelloy C-276合金薄板脉冲激光焊接过程中熔池液态金属流动的基本规律.利用Fluent软件,采用有限容积法求解控制方程,用SIMPLE算法处理压力与速度耦合.引入Ma来评价焊接熔池的流动特性,并指出了焊接熔池中出现重熔轮廓线的原因.通过与实测温度场对比,验证了所建模型的准确性.模拟分析表明:脉冲激光焊接过程中存在较微弱的Marangoni对流现象;牛顿剪切应力的存在使熔池表层流体对流剧烈.此模型可为Hastelloy C-276合金薄板脉冲激光焊接熔池流体流动行为分析提供理论依据.     

激光在圆锥形小孔孔壁上的多次反射吸收研究

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，研究了激光在圆锥形小孔孔壁上的多次反射吸收，计算了小孔孔壁通过多次反射吸收的激光功率密度，分析了孔壁的多次反射次数、聚焦透镜的焦距以及圆锥形小孔的顶角等因素对小孔孔壁上的激光功率密度分布的影响．计算结果表明：小孔孔壁上吸收的总激光功率密度主要取决于激光在小孔孔壁上前几次反射；在小孔上部，孔壁吸收的总激光功率密度主要取决于直射到小孔孔壁上的激光功率密度；孔壁的多次反射只对小孔下部孔壁上的激光功率密度分布有影响．小孔的形状、尺寸取决于小孔孔壁上吸收的激光功率密度大小．小孔孔壁上吸收的激光功率密度与小孔的形状、深度和大小之间存在一个自我调节和自我适应的过程．孔壁上吸收的激光功率密度愈大，小孔的深度和直径也愈大，锥顶角愈小，小孔孔壁上吸收的激光功率密度分布还与聚焦透镜的焦距有关．在保证激光焊接所需要的激光功率密度的前提下，采用长焦距的聚焦透镜，有利于把激光能量直接导入工件材料内部。     

等离子焊接小孔效应的电弧电压信号检测

为在等离子焊接小孔效应下对焊缝的熔透质量进行实时控制 ,在不同类型的焊接电源和被焊材料条件下 ,研究了熔池小孔效应与等离子电弧电压信号的关系规律。根据电弧电压信号相对于其均值的偏差的大小及熔池穿孔和未穿孔状态下电弧电压幅频低频段信号的差异分别设计了两种算法 ,并对电弧电压信号的加工处理 ,分别得到了两种传感信号。设计了熔池穿孔与否双阈值判断准则 ,用以检测熔池小孔是否存在。该传感技术可适用于不同焊接电源和不同工件材质 ,为实时熔透质量自动控制提供了反馈信息     

激光深穿透焊接的研究

采用侧吹气体来抑制等离子体对激光能量的屏蔽，取得了比较满意的焊接效果，同时还讨论了激光功率，焊接速度及透镜离焦量对激光深穿透焊接的影响。     

激光深熔焊接小孔内等离子体的反韧致辐射吸收研究

在假设小孔为圆柱形的基础上，通过跟踪光线在小孔内的多次反射轨迹，对激光深熔焊接过程中小孔内等离子体的反韧致辐射吸收进行了研究，计算了小孔孔壁上吸收的激光功率密度，分析研究了孔壁的多次反射次数、聚焦透镜的焦距以及小孔直径等因素对孔壁上的激光功率密度分布的影响．计算结果表明：小孔孔壁通过等离子体的反韧致辐射吸收的激光功率密度主要取决于等离子体对直射激光的反韧致辐射吸收，小孔孔壁的多次反射光只对小孔下部孔壁的激光功率密度分布有一些影响．随着聚焦透镜焦距的增大，小孔孔壁上吸收的激光功率密度峰值减小，但分布区域向小孔深处推移．最后，对小孔孔壁上吸收的激光功率密度与小孔的尺寸之间的关系进行了讨论．小孔的尺寸取决于孔壁上吸收的激光功率密度大小．激光功率密度越大，小孔直径越大。     

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．     

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．     

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．     

应用遗传算法优化铝合金穿孔型等离子弧立焊工艺参数

通过实验并应用基本遗传算法确定等离子孤立焊中获得良好焊缝形状的焊接工艺参数．用这种方法确定工艺参数的优化配置无须建立输入、输出变量的模型，并在较少实验量的基础上获得了工艺参数的近似最优化配置．输出变量是焊缝形状的4个参数：焊缝的正面熔宽、正面余高、焊缝的背面熔宽、背面余高；焊缝形状主要由焊接速度、焊接电流、离子气的流量和喷嘴到工件的距离4个工艺参数确定．结果表明，应用遗传算法确定铝合金穿孔型等离子孤立焊的近似最优化工艺参数是一种有效的方法。