随行辅助预热电子束薄板焊接的数值模拟

电子束焊接薄板过程中,由于局部加热过快,易产生焊接变形。因此,在电子束焊接的主热源两侧引入基于高频扫描技术的电子束辅助热源,进行焊前预热,以达到减小焊接变形的目的。建立了矩形均匀加热辅助热源模型,采用热弹塑性有限元分析方法对1.5mm厚不锈钢薄板随行辅助预热电子束焊接进行数值模拟,并且进行了试验验证。结果表明,焊后残余应力和变形的模拟结果与试验所得结论一致。电子束焊接随行辅助预热方法不仅可以改变熔池前方材料的应力状态,而且当熔池形成瞬间熔池时,还可以减小前方材料的压应力峰值,有利于减小薄板结构的焊接变形。     

镍基高温合金电子束焊缝形貌预测模型及其验证

针对深熔电子束焊特有的钉形焊缝形貌特征,在综合考虑了熔池和匙孔中能量吸收与再分布效应的基础上,建立了高斯面热源和圆柱体热源组合的移动热输入数值模型。进而利用ANSYS通用有限元软件,对镍基高温合金GH4133电子束焊的完全穿透和部分穿透焊接温度场进行了三维数值模拟,分析中考虑了辐射换热和温度相关材料性能的影响。两种情况下的预测结果与实际接头的焊缝金相轮廓吻合良好,证明了组合热源模型的有效性,为进一步开展热-力-组织多场耦合的准确分析提供了可靠的保证。     

微贮箱移动电子束焊接传热数值分析

建立了某姿轨控发动机推进剂贮箱移动电子束焊接热源的焊接温度场数值仿真模型，采用锥体热源描述电子束焊接热源，通过等价比热容法来处理熔化潜热，得到电子束焊接过程中贮箱温度、焊接熔池形状和尺寸随时间的变化状况.结果表明:仿真计算所得贮箱温度与实测数据的差异小于10%.在焊接过程中，利用安装在贮箱外表面的纯铜散热盘可以将贮箱半膜处的温度从503K降低至364K以下，避免了焊接过程中贮箱温度过高出现结构损伤.该计算方法与结构散热方式可为其他产品的焊接提供借鉴与参考.      

激光焊接过程的流体动力学研究

建立了描述小孔传热的激光深熔焊过程组合体热源模型,使用计算流体力学的控制容积法将控制方程进行离散处理后,采用SIMPLE算法求解了质量守恒、动量守恒和能量守恒方程组,模拟了激光焊接小孔的形状和尺寸以及焊接熔池的流动速度分布.结果显示,焊接小孔的稳定性随着焊接速度的增加而降低,熔池流动速度受Marangoni驱动力的直接影响,模拟焊缝形状和尺寸与实际焊缝吻合良好.     

航空发动机机匣电子束焊接变形模拟分析与优化

为了对焊接变形进行预测与控制,建立了焊接接头的弹塑性有限元模型,并对电子束热源模型进行了校核,获得了接头焊接位置的塑性应变区域大小;建立了风扇叶片机匣3D壳单元有限元模型,并采用固有应变法对机匣焊接变形进行了模拟计算,获取了焊接过程的变形分布,通过实测机匣变形量并与仿真结果进行对标,验证了模型的准确性;通过对风扇叶片机匣焊接顺序以及焊接熔池宽度等工艺参数的优化,获得了控制风扇叶片机匣焊后变形的最优方案。结果表明:模拟与实测的平均变形误差仅10.3%,基于固有应变法的中心面3D壳单元有限元模型适用于大型复杂薄壁件的电子束焊接变形预测,该方法已得到应用;风扇叶片机匣焊接熔池宽度的优化能够有效控制焊后变形,焊缝上熔池宽度降低为2.7 mm,焊后平均径向变形量降低30%,能够明显降低机匣径向收缩变形,焊接顺序的优化对变形控制效果较差。      

TC4钛合金薄板多束流电子束焊接变形控制研究

采用电子束高频偏转扫描技术实现了多束流电子束焊接,在焊接的同时增加两个辅助电子束热源进行TC4钛合金薄板的焊后缓冷,利用辅助热源在焊缝两侧产生的热应力来改变焊件的应力分布,达到减小焊后应力、控制焊接变形的目的。重点研究了辅助热源位置和能量分配等工艺参数对焊接变形的影响。实验结果表明,采用辅助热源进行焊后缓冷可以有效减小焊接变形,当D=5mm,H=10mm,电子束束流为9.3m A,能量分配为16.25%时,1mm厚的TC4钛合金薄板焊接变形最小。     

TC4钛合金薄板多束流电子束焊接变形控制研究

采用电子束高频偏转扫描技术实现了多束流电子束焊接,在焊接的同时增加两个辅助电子束热源进行TC4钛合金薄板的焊后缓冷,利用辅助热源在焊缝两侧产生的热应力来改变焊件的应力分布,达到减小焊后应力、控制焊接变形的目的。重点研究了辅助热源位置和能量分配等工艺参数对焊接变形的影响。试验结果表明,采用辅助热源进行焊后缓冷可以有效减小焊接变形,当D=5mm,H=10mm,电子束束流为9.3m A,能量分配为16.25%时,1mm厚的TC4钛合金薄板焊接变形最小。     

高压球形气瓶焊缝结构设计与焊接工艺

研究了气瓶赤道焊缝区的结构优化设计和焊接工艺改进措施,焊缝区渐变补强设计提高了焊缝区的应变协调性,改进电子束与焊缝作用方式解决了内部飞溅问题,采用优化的电子束工艺参数进行焊接。结果表明:焊接接头质量达到了GJB1718A—2005《电子束焊接》标准Ⅰ级焊缝,焊缝及热影响区力学性能与母材相当,气瓶进行鉴定试验,性能指标满足设计要求。气瓶焊缝结构优化设计,降低了焊缝处应力水平,减少应力集中,通过改进焊接工艺提高了电子束焊缝质量。     

TC4钛合金电子束焊接工艺参数对焊缝形状的影响

对TC4钛合金厚板电子束焊接焊缝形状进行了试验研究,分析了电子束焊接过程中不同工艺参数对焊缝形状的影响。结果表明,电子束聚焦电流对焊缝形状的影响较大,随着聚焦电流的变化,焊缝形状变化各异;焊接速度对焊缝形状的影响较聚焦电流要小,焊接速度不同,焊缝整体形状有所不同,但差异不大;电子束流对焊缝形状的影响作用较小,焊缝形状的变化近似于整体缩放。     

钛合金平板电子束焊接残余应力数值分析

本文建立了钛合金平板移动电子束热源的焊接温度场和应力场的数值分析模型,针对6mm厚的TC11钛合金平板试件,计算分析3种不同工艺参数的电子束焊接温度场及残余应力分布规律,结果表明对于平板电子束焊接接头,在焊缝及近缝区的很窄的区域内,存在数值接近材料屈服极限的纵向残余应力,焊接工艺不同将会影响残余应力的数值,采用正面焊透加背面修饰的焊接工艺可在一定程度上降低纵向残余应力的数值。      

Research on modeling of heat source for electron beam welding fusion-solidification zone

In this paper, the common heat source model of point and linear heat source in the numerical simulation of electron beam welding (EBW) were summarized and introduced. The combined point-linear heat source model was brought forward and to simulate the welding temperature fields of EBW and predicting the weld shape. The model parameters were put forward and regulated in the combined model, which included the ratio of point heat source to linear heat source Qpr and the distribution of linear heat source Lr. Based on the combined model, the welding temperature fields of EBW were investigated. The results show that the predicted weld shapes are conformable to those of the actual, the temperature fields are reasonable and correct by simulating with combined point-linear heat source model and the typical weld shapes are gained.     

辅助冷、热源防止焊缝凝固裂纹的研究

控制焊缝凝固时所受的拉伸应变是防止焊缝凝固裂纹产生的有效方法之一。利用数值模拟和试验研究了施加辅助冷、热源改变焊接温度场，减少焊缝所受的拉伸应变的规律以及施加冷、热源后对焊接接头组织和硬度的影响。研究表明：辅助热源的能量密度及施加位置合适时，可以有效地降低拉伸应变，防止凝固裂纹产生；施加辅助冷源也可以降低焊缝所受的拉伸应变，但效果不如辅助热源显著；在本试验条件下施加辅助冷、热源对焊接接头的组织影响不大，对硬度也无明显的影响。     

YAG激光全熔透焊接304不锈钢的熔池温度场预测

基于Rosenthal的移动线热源模型,通过与高速摄像对焊接过程中熔池特征量的测量结果对比,获得了YAG激光全熔透焊接304不锈钢时熔池特征量及温度场分布的预测模型。结果表明,在一定热输入范围内,计算与试验结果符合得很好,但当热输入使熔透焊接过程处于过度熔化和临界熔透时,计算值与试验值的偏差会变大。     

热源与热沉的距离对焊接接头应变影响研究

热源与热沉的距离D是动态控制低应力无变形焊接技术的关键参数之一。采用有限元技术开展了热源与热沉中心的距离对焊接接头应变影响的研究。研究发现:冷却介质的急冷作用使得热源与热沉之间的温度陡降,温度梯度变大,热沉作用处成为焊缝中心线上温度最低的位置;不同的D值引起的焊缝中心点的温度历史不同,塑性应变的历史不同,残余态结果也不同。热源与热沉之间距离越近,拉伸作用越强。热源与热沉中心的距离较近时,可以产生大于加热阶段形成的压缩塑性应变的拉伸塑性应变,从而不仅补偿加热时产生的缩短应变,而且还使焊缝中存在拉伸塑性应变。     

双焦点激光-TIG电弧复合焊接工艺

针对1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的双焦点激光-TIG电弧复合热源焊接工艺进行了初步的研究.通过试验分析了双焦点激光-TIG电弧复合焊接过程中激光功率、电弧电流、热源间距以及焊接速度等工艺参数对焊缝熔深、熔宽的影响.结果表明,双焦点激光-TIG电弧复合热源在一定程度上可以提高焊接速度、焊接质量,降低装配精度,是一种很有应用前景的焊接工艺方法.     

CO_2激光焊接TC4熔池红外光辐射信号与焊接参数的关系

利用CCD摄像机以及红外光辐射信号监测系统系统地研究了钛合金TC4激光焊接过程中红外光辐射信号的特征以及焊接线能量与熔池红外光辐射信号熔池面积的关系。研究表明,(1)对应整条焊缝,红外光辐射信号可明显分为3个阶段,分别对应焊接起始阶段、准稳态阶段及焊接收弧阶段(;2)当线能量增加(功率不变焊接速度降低)时,熔池面积变大,红外光辐射信号相对强度随之增强;(3)熔池面积与红外光辐射信号相对强度之间存在相同的变化规律,因此利用红外光辐射信号可以相当准确地监测焊接过程的熔池面积变化,进而监测焊接过程的稳定性。     

铁素体不锈钢TIG焊接头组织与性能研究

研究了焊接热输入和微合金元素铌对铁素体不锈钢TIG焊接头组织及性能的影响.实验结果表明,随着焊接热输入的增加,焊接热影响区的粗晶区和焊缝区中铁索体晶粒明显粗化,降低了焊接接头的强度和塑性.铁素体不锈钢中加入少量的铌元素,通过钉扎晶界和拖曳晶界移动的双重作用,阻碍了粗晶区和焊缝区中铁素体晶粒的长大,提高了焊接接头的强度和...     

焊接过程多场耦合模拟研究进展

焊接是一个涉及到多物理场耦合的复杂过程,采用传统的试验方法研究焊接现象存在成本高、效率低、局限性等问题,数值模拟技术很好地解决了这些问题,因此该技术已成为国内外焊接工作者研究的热点,在航空航天、汽车船舶等领域得到越来越广泛的应用。介绍了影响熔池形态和焊接变形的因素以及外加磁场对改善焊缝成形的作用,重点论述了数值模拟技术在多场耦合作用下焊接熔池形态、应力与变形以及焊缝成形控制等方面的应用及研究现状,在此基础上提出了焊接过程多场耦合模拟的未来发展动向。