铝/钢异种金属冷金属过渡技术温度场应力场数值模拟

摘要

铝/钢异种金属焊接的主要问题是控制焊接过程中的热物理冶金以及焊后较大的变形,而这些问题均与焊接加热和冷却过程有密切的关系。本文借用ABAQUS大型通用有限元软件,建立了6061铝板和HDG60钢板异种金属CMT焊接的有限元模型,重点对搭接接头形式的薄板异种金属熔化焊焊接过程中的温度分布,应力场,以及焊接后变形进行了研究,并将得到的有限元模拟结果与实验进行对比,来验证有限元结果的正确性。
　　 整个有限元分析过程中,综合考虑计算精度和计算时间,本文采用温度应力顺序耦合的形式,先进行温度分布的热分析,最后将所得到的温度分布作为边界条件进行残余应力以及变形分析。
　　 首先,针对CMT焊接过程中形成的焊缝,建立了与焊接工艺参数有关的焊缝几何模型。再根据CMT焊接时的热量来源,建立了由高斯面热流密度和双椭球体热流密度组成的复合热源。经过研究发现:铝/钢异种金属焊接时,在焊接时所得到的等温线关于焊缝并不是对称分布的,靠近铝板侧温度梯度较小,靠近钢板侧温度梯度较大;到焊缝中心距离相同时,靠近铝板一侧试件上特征点温度上升的较快,达到峰值温度较高,且温度下降的速度也较快。为了验证所建立几何模型和有限元模型的准确性,将模拟得到的热循环曲线以及钢板背面锌融化宽度和实验进行对比,结果表明实验值和模拟值能够较好的吻合。
　　 经过模拟分析表明,在进行单道薄板焊接时,利用生死单元法考虑焊缝金属的填充过程只会增加计算量,而不会得到更为准确的温度场。
　　 对送丝速度不同时的温度场进一步研究发现,在焊接速度一定的条件下,送丝速度增大时,熔池宽度会有所增加,焊缝背面锌熔化更严重,熔池的峰值温度也会增加。
　　 对送丝速度为3m/min时焊接过程中的残余应力变形进行了分析。通过对靠近焊缝处节点的应力演变进行分析发现,纵向应力的演变过程由压应力转变为拉应力;而横向应力,在焊枪经过之前,会出现由纵向应力产生的附加拉应力。在焊枪经过时,会出现处于钢板侧的横向压应力且接近屈服极限。对垂直焊缝的纵向应力和横向残余应力进行分析,在焊缝的热影响区纵向应力分别达到峰值,分别为125MPa和208MPa,而位于铝板侧和位于钢板侧的横向应力峰值几乎相同,大约为80MPa。
　　 对试件变形量的分析结果表明,在焊接开始到焊接结束整个过程中,铝合金一侧变形量比较大,实验与模拟结果趋势一致。比较送丝速度对焊接后变形的影响发现,增加热输入致使试件变形量增大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题意义

1．2 焊接数值模拟的国内外研究概况

1．2．1 焊接瞬态温度场有限元分析的研究进展

1．2．2 焊接应力有限元分析的研究进展

1．3 熔化焊接的研究现状

1．4 数值分析时的难点

1．5 研究内容

第二章 CMT焊接过程的有限元模拟

2．1 温度场有限元求解

2．1．1 温度场的控制方程

2．1．2 初始条件和边界条件

2．1．3 焊接热源模型

2．2 热应力场有限元求解

2．2．1 热弹性问题

2．2．2 热弹塑性问题

2．2．3 单元刚度矩阵

2．3 有限元软件在焊接热应力分析中的应用和发展

2．3．1 ABAQUS在的应用

2．3．2 ABAQUS基本求解器介绍

2．3．3 ABAQUS热分析模块

2．3．4 ABAQUS热源解决

2．4 采取的研究方法

2．4．1 研究方法

2．4．2 技术路线

2．4．3 实验方案

2．4．4 可行性研究

第三章 铝／钢异种金属CMT焊接温度场数值模拟

3．1 焊接模拟几何的建立

3．1．1 焊缝余高的处理

3．1．2 几何尺寸

3．2 焊接有限元模型的建立

3．2．1 焊接热源的建立

3．2．2 有限元网格划分

3．3 材料高温物理性能

3．4 温度场求解的边界条件

3．5 焊接温度场计算结果及分析

3．5．1 不考虑焊缝填充时计算得到的温度场

3．5．2 考虑焊缝填充时计算得到的温度场

3．6 温度场的测试

3．6．1 焊接设备及工艺参数

3．6．2 测量设备

3．6．3 温度测量原理

3．6．4 温度场采集

3．7 实验验证及分析

3．7．1 不考虑焊缝填充过程的验证

3．7．2 考虑焊缝填充过程的验证

3．8 工艺参数对异种金属CMT焊接温度场的影响

3．9 本章小结

第四章 铝／钢异种金属CMT焊接应力场数值模拟

4．1 残余应力模拟的有限元模型

4．1．1 材料的高温机械性能

4．1．2 边界条件

4．1．3 焊接残余应力的求解提交

4．2 残余应力测试实验

4．2．1 小孔法测量残余应力的基本原理

4．2．2 小孔法测量残余应力的设备

4．2．3 小孔法测量残余应力的基本方法

4．3 应力场的模拟结果及验证

4．3．1 焊接等效应力结果及分析

4．3．2 特征点残余应力的演变过程

4．3．3 残余应力测量及实验验证

4．4 焊接变形预测

4．4．1 残余变形的预测

4．4．2 焊接变形的表征与实验验证

4．4．3 不同送丝速度对焊件变形的影响

4．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

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