中厚板激光多层焊温度场与应力应变场的数值模拟

论文摘要

激光多层焊可以实现超窄间隙中厚板的单道多层焊接,有效提高焊接生产效率,减少耗材与焊接变形。激光热源作用模式对焊缝侧壁熔合的影响、多层焊过程焊缝冷却速度及应力应变情况都是这一工艺的应用基础研究,很难采用试验方法直接获得。基于此,本文应用大型有限元软件MSC.Marc,对中厚板激光填丝多层焊瞬态温度场和应力应变场进行了计算分析。焊接过程采用的是双光束热源,首先确定了双椭球+高斯圆柱热源模型,综合考虑对流、辐射传热的影响,定义随温度的变化的材料热物理性能参数,采用生死单元法模拟焊丝的填加过程,建立了激光填丝多层焊有限元模型。利用Marc中的瞬态热分析功能模块计算了焊接过程中的温度场,将计算获得的熔池截面和特征点的热循环曲线与实验结果进行对比,验证了模型的准确性。论文计算分析了常规激光填丝焊、辅助层间保温和热丝工艺下的各自温度场特征。结果表明,层间保温能有效的降低焊缝和热影响区的冷却速度,但对熔池横截面的尺寸影响较小;热丝焊既能够有效增大熔池尺寸,提高侧壁熔合性,也能一定程度的降低焊缝和热影响区的冷却速度。利用Marc中的瞬态热-力耦合功能模块计算了冷丝、层间保温和热丝三种情况下的应力应变场。计算结果表明:中厚板激光填丝多层焊焊缝内部存在“带状”应力集中,焊缝中部处于双向拉伸状态,纵向应力大于横向应力;层间保温工艺能够有效降低激光填丝多层焊接头的残余应力,缓和接头内部的“带状”应力集中,并且能够减小坡口收缩趋势;热丝工艺在缓和“带状”应力集中方面有显著的作用,同时能在一定程度上降低接头内部的等效应力和纵向应力,但使横向应力整体上有所增大,坡口收缩量增加。除此之外,论文还对激光多层焊特殊的热循环和应力变化进行了分析,结果表明:在激光热源的作用下,焊缝中心经历瞬间加热和冷却过程,高温热循环基本不受前层“预热”的影响,二次热循环下的冷却速度有所降低;热影响区范围很窄,焊缝到热影响区之间峰值温度和冷却速度降低明显。焊接过程中先焊层对后焊层的预热作用有助于缓和熔池前端的应力集中,后焊层的收缩作用能够降低先焊层的应力数值,但残余应力的大小决定于最后的冷却阶段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 课题相关研究现状
• 1.2.1 激光焊接过程的数值模拟
• 1.2.2 厚板多层多道焊过程的数值模拟
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 中厚板激光多层焊有限元模型
• 2.1 几何模型与网格划分
• 2.2 材料特性参数
• 2.3 初始条件和边界条件
• 2.3.1 热边界条件
• 2.3.2 机械边界条件
• 2.4 热源模型
• 2.4.1 激光填丝焊传热形式
• 2.4.2 激光填丝焊热源模型
• 2.4.3 热源移动的实现
• 2.5 加载历程
• 2.6 本章小结
• 第3章 温度场计算及结果分析
• 3.1 热传导基本理论及温度场计算
• 3.2 温度场计算模型验证
• 3.3 中厚板激光多层焊温度场分布
• 3.3.1 焊接过程的熔池形态及温度分布
• 3.3.2 工艺条件对熔池截面的影响
• 3.4 中厚板激光多层焊过程热循环特征
• 3.4.1 不同焊层的热循环
• 3.4.2 焊缝不同区域的热循环特征
• 3.4.3 工艺条件对热循环的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 应力应变场计算及结果分析
• 4.1 应力应变场计算中的弹塑性理论
• 4.2 焊接过程的应力变化情况
• 4.2.1 特征点的应力变化
• 4.2.2 不同时刻的应力分布
• 4.3 残余应力分布
• 4.3.1 等效应力的分布
• 4.3.2 纵向应力的分布
• 4.3.3 横向应力的分布
• 4.4 工艺条件对残余应力的影响
• 4.4.1 对等效应力的影响
• 4.4.2 对纵向应力的影响
• 4.4.3 对横向应力的影响
• 4.5 工艺条件对变形的影响
• 4.5.1 坡口间隙的变化情况
• 4.5.2 焊后角变形的情况
• 4.6 应力测量
• 4.6.1 残余应力测量及计算方法
• 4.6.2 结果分析
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢