激光電弧復(fù)合焊數(shù)值模擬.docx

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1、激光電弧復(fù)合焊接數(shù)值模擬NUMERICALSIMULATIONOFLASER-ARCHYBRIDWELDING摘要焊接是一個(gè)涉及物理、傳熱、冶金和力學(xué)等學(xué)科的復(fù)雜過程。高強(qiáng)鋼由于其良好的性能在造船等重型機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用，但正因?yàn)槠溆猛镜奶厥庑裕瑢?duì)其連接技術(shù)也提出了更高的要求。本文以7mm厚的高強(qiáng)鋼為研究對(duì)象，結(jié)合數(shù)值計(jì)算的方法，并利用有限元分析理論，選用高斯分布的熱源模型，解決了熱源移動(dòng)的模擬。通過確定物理參數(shù)的變化，解決相變潛熱等問題。利用ANSYS模擬了整個(gè)焊接過程的溫度場(chǎng)分布，模擬對(duì)比了不同激光功率、電弧

2、電流、焊接速度下的的溫度場(chǎng)分布，得到了相應(yīng)的熔深和熔寬的大小，并通過試驗(yàn)一一進(jìn)行驗(yàn)證，模擬結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)吻合良好。試驗(yàn)證明:復(fù)合焊接能實(shí)現(xiàn)良好的橋接性，焊縫硬度高于母材，但低于單獨(dú)的激光焊接，焊縫均勻性好。電弧的引入明顯增加了焊接的熔深和熔寬。隨著激光功率的增大，熔深增大，但超過一定值反而下降。電弧電流、焊接速度、激光離焦量、激光與電弧的距離都對(duì)焊縫的成型有重要影響，當(dāng)這些參數(shù)達(dá)到合理的配置時(shí)，焊接質(zhì)量最好。在激光功率2kw，相應(yīng)電弧電流1OOA左右，焊接速度1m/min時(shí)，焊縫形貌美觀，熔深大。在離焦量為

3、一1mm，激光與電弧距離為2mm的條件下，熔池穩(wěn)定，焊接效果好。關(guān)鍵詞:激光電弧復(fù)合焊接數(shù)值模擬高強(qiáng)鋼溫度場(chǎng)工藝參數(shù)第一章緒論1.1引言焊接是涉及許多學(xué)科的復(fù)雜的物理、化學(xué)過程。焊接現(xiàn)象包括焊接時(shí)的電磁、傳熱過程、金屬的熔化和凝固、冷卻時(shí)的相變、焊接應(yīng)力和變形等。焊接過程產(chǎn)生的焊接應(yīng)力和變形，不僅影響焊接結(jié)構(gòu)的制造過程，而且還影響焊接結(jié)構(gòu)的使用性能。焊接熱源的熱能特性和力學(xué)特性直接影響著熔池和母材表面的熱流分布、熔池的熱傳遞和熔池內(nèi)液態(tài)金屬的流動(dòng)，而熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng)強(qiáng)烈地影響著熔池的幾何形狀，從而影響焊縫成形

4、和質(zhì)量，影響焊接接頭的力學(xué)性能。由于高集中的瞬時(shí)熱輸入，在焊接過程中和焊后將產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力和變形(殘余變形、焊接收縮、焊接翹曲)，而且焊接過程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力和焊后殘余應(yīng)力影響構(gòu)件的變形和焊接缺陷，而且在一定程度上還影響結(jié)構(gòu)的加工精度和尺寸的穩(wěn)定性。因此對(duì)焊接過程溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)以及焊接應(yīng)力的分析就顯得非常重要，它能幫助我們改善焊接工藝，提高焊接質(zhì)量。傳統(tǒng)的焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力預(yù)測(cè)依賴于試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)曲線或經(jīng)驗(yàn)公式，以“理論—試驗(yàn)—生產(chǎn)”的模式來研究，但僅從實(shí)驗(yàn)角度研究焊接熱應(yīng)力和焊后殘余應(yīng)力和變形問題難

5、度很大，無前瞻性，不能全面預(yù)測(cè)和分析焊接對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性影響，客觀評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量。并且大量的試驗(yàn)增加了生產(chǎn)成本，耗費(fèi)人力物力，尤其在軍工、航天、航海、核反應(yīng)堆等大型重要焊接結(jié)構(gòu)制造過程中，任何嘗試和失敗都將造成重大經(jīng)濟(jì)損失，而數(shù)值模擬將發(fā)揮其獨(dú)特的能力和優(yōu)勢(shì)，采用“理論—數(shù)值模擬—生產(chǎn)”的模式，可以使這一問題得到更好的解決。配合一定的工業(yè)試驗(yàn)，采用模擬技術(shù)，建立合適的分析模型既可以減少試驗(yàn)節(jié)省時(shí)間，更能大大降低成本，是目前焊接工程領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)隨著有限元技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，為數(shù)值模擬技術(shù)提供了有力的

6、工具，很多焊接過程可以采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。隨著差分法、有限元法的不斷完善，焊接熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力模擬分析技術(shù)相應(yīng)的發(fā)展起來。用有限元技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，研究復(fù)合熱源焊接工藝中小孔、等離子體以及熱源的相互禍合作用對(duì)于擴(kuò)大激光加工的應(yīng)用領(lǐng)域和提高國(guó)防裝備具有重要的意義。激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)是一種新興的焊接技術(shù)，我國(guó)目前對(duì)激光復(fù)合焊接的研究工作雖然剛剛起步，但是焊接在材料加工中一直占有重要地位，現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)焊接質(zhì)量的要求也越來越高，激光電弧復(fù)合焊接是復(fù)合了激光與電弧在焊接中的優(yōu)點(diǎn)，因此認(rèn)真研究這種

7、新興的焊接技術(shù)對(duì)改善焊接的質(zhì)量將會(huì)有重要的意義。本文基于大型有限元分析軟件ANSYS，對(duì)中厚板高強(qiáng)鋼復(fù)合焊接的過程進(jìn)行數(shù)值模擬。首先通過數(shù)學(xué)計(jì)算獲得復(fù)合焊接的熱源模型，求出解析解。然后利用ANSYS分析其焊接溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，對(duì)復(fù)合焊接的工藝過程進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過對(duì)高強(qiáng)鋼樣板的焊接試驗(yàn)來驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性，檢驗(yàn)焊接質(zhì)量。1.2.1電弧焊接技術(shù)電弧焊接是一種熔化焊，是通過利用電極和工件之間引發(fā)的電弧，將電能轉(zhuǎn)換成熱能，熔化、結(jié)合被焊接金屬的一種焊接方法。電弧焊接分非熔化極電弧焊接和熔化極電弧焊接。典型的非

8、熔化極電弧焊為TIG焊，此外還有等離子弧焊、碳弧焊、原子氫焊等;典型的熔化極電弧焊接為MIG焊，此外還有焊條電弧焊、埋弧焊和藥芯焊等。TIG焊的電弧電流的傳導(dǎo)是依靠保護(hù)氣體電離產(chǎn)生的離子，是純氣體電弧;MIG焊電流的傳導(dǎo)，絕大部分依靠金屬蒸氣所產(chǎn)生的金屬離子，小部分依靠保護(hù)氣體離子，是金屬蒸氣電弧。但是它們都以氫氣、氦氣或兩者的混合氣體作為保護(hù)氣，它們都是常見的各種金屬材