旋转电弧窄间隙焊缝成形和应力场的数值模拟

摘要

旋转电弧窄间隙MAG焊是一种针对中厚板的高效优质的焊接方法，其关键是得到稳定且足够的侧壁熔深。传统上通过积累工艺试验数据来了解和改善焊接过程的方式需要较大的成本。随着计算机技术和有限元理论的高速发展，数值模拟分析成为一种强有力的分析手段。因此，本文通过数值模拟技术研究旋转电弧窄间隙焊的温度、应力以及流场的动态变化过程，具有重要的学术理论和工程应用意义。
　　本文首先根据旋转电弧窄间隙MAG焊特点，通过ABAQUS软件建立相关物理模型，对电弧热源形式进行等效和优化，计算得到其三维温度场，并与实际焊接的实验结果从特定点的热循环曲线、侧壁熔深值和瞬态温度场的变化等多个方面进行对比，完成热场的计算。接着在热场的基础上，对旋转电弧窄间隙中厚板进行热力耦合，计算多层单道焊的应力场，将模拟结果与实际焊后结果进行对比，总结得出应力应变分布的规律。之后在模型中加入不同拘束条件，用以模拟垫板或夹具等对工件残余应力的影响，并在多层焊的过程中改变焊接方向，进一步提高对焊后应力分布规律的认识，完成力场的计算。最后，利用Fluent软件对焊接熔池进行模拟，研究熔池中浮力、电磁力和表面张力等驱动力对焊缝成形过程的影响，完成流场的计算。
　　旋转电弧窄间隙MAG焊的热场结果表明优化后的饼状等效热源在旋转电弧焊接的数值模拟中，能得到与实际结果相符的侧壁熔深和底部熔深，且计算精度和效率都有所提高。应力场的结果表明焊缝区存在较小的残余横向压应力和较大的纵向拉应力，离开焊缝区后横向应力迅速转变为拉应力并逐渐减小趋近于零，纵向应力则迅速衰减为压应力。在一定的拘束条件下的多层焊可以控制焊后的变形并且改变应力分布，而改变多层焊中的焊接方向可以降低峰值应力的大小并且使应力分布更加平缓对称。流场的结果表明了熔池各驱动力对传热与流动特性的影响，决定熔池内部流场和成形的主要因素是表面张力，而浮力和电磁力会影响熔池体积的大小，各驱动力引起的对流运动使温度峰值降低。
　　本课题针对旋转电弧窄间隙MAG焊进行数值模拟的研究，直观动态的展现了焊接过程中热、力和熔池流动的变化与分布，进一步明确了焊缝熔池成形和应力分布的规律，对探讨焊接过程的物理本质和相关的焊接工艺研究具有重大意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2旋转电弧MAG焊研究进展

1.3焊接数值模拟研究现状

1.4主要研究目的和内容

第2章 试验材料设备及方法

2.1旋转电弧窄间隙MAG焊试验系统

2.2数值模拟软件的选用

2.3焊接测温系统

2.4残余应力测试系统

2.5 本章小结

第3章 旋转电弧窄间隙MAG焊温度场分析

3.1有限元模型的建立

3.2焊接温度场的结果与分析

3.3 焊接热源的等效与优化

3.4 本章小结

第4章 旋转电弧窄间隙MAG焊中厚板应力场分析

4.1 模型的建立与焊接试验

4.2中厚板多层焊的应力场

4.3不同拘束条件下的焊接残余应力场

4.4不同焊接方向下的焊接应力场

4.5本章小结

第5章 旋转电弧窄间隙MAG焊熔池流场模拟

5.1引言

5.2模型的建立

5.3各驱动力下焊接温度场和熔池流场结果

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文