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异厚度铝合金激光拼焊数值模拟

熊进辉  
【摘要】: 焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟,我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。 利用ANSYS软件对异厚度铝合金激光拼焊的温度场进行三维瞬态有限元分析。为了提高计算精度和效率,采用过渡网格划分形式划分网格以保证焊缝处网格足够细小。选取高斯函数分布的热源模型,利用ANSYS软件的APDL语言编写程序实现移动热源的加载。在模拟中既考虑一般激光焊接中材料热物理性能参数的温度相关性、熔化潜热、边界条件、等离子体、熔池对流、保护气体等对温度场的影响,又考虑异厚度铝合金激光拼焊的特性。利用高温热电偶检测异厚度铝合金激光拼焊过程中的温度场,将模拟值与实测值进行对比分析,结果表明模拟值与实测值吻合良好。 采用间接法模拟应力应变场。定义弹性模量E,热膨胀系数α,泊松比μ等随温度变化的材料力学参数值。指定塑性分析选项为经典的双线性随动强化(BKIN)。边界条件约束焊件的自由度,以模拟夹具的作用。模拟结果显示,由于厚度不同,薄厚两板应力应变场存在差异,薄板焊缝附近的应力场范围较大,变形比厚板复杂且比厚板大。利用小孔释放法检测异厚度铝合金激光拼焊板的残余应力,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良好。 对异厚度铝合金激光拼焊的熔化过程进行分析。选用三种不同的热源模型:高斯面热源、体热源、组合热源,利用ANSYS软件对异厚度铝合金激光拼焊的温度场进行三维瞬态有限元分析,观察三种热源模型形成的熔池形状(即焊缝形状)。结果表明:采用组合热源模型模拟的焊缝形状与实际拼焊的焊缝形状最为接近,证明分析的合理性。 利用异厚度铝合金激光拼焊间隙填充模型,建立偏移量与间隙、工件厚度比、激光光束半径的定量关系式,关系式中偏移量与间隙、激光光束半径成正比,与工件厚度比成反比。在异厚度铝合金激光拼焊工艺实验中,选取不同的工件厚度比进行偏移定量关系式的验证实验。实验结果表明:理论计算值与工艺实验值基本吻合。理论计算值可以 作为异厚度铝合金激光拼焊工艺实验的定量参考值。


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