1mm不锈钢板激光焊接数值模拟及接头性能研究

摘要

在激光焊接过程中，其可改变的工艺参数较多，每个参数的变化都会对焊缝接头的稳定性和质量造成较大的影响。1 mm厚的304不锈钢薄板其厚度薄，拘束度小，焊接时易产生较大的变形，因而，研究激光焊接不锈钢薄板的工艺较为复杂，从理论研究和模拟仿真出发，其结果难以应用于实际生产并解决实际生产中的问题，而单纯从试验出发研究焊接技术会耗费大量时间和成本。因此，本课题采用数值模拟与试验相结合的研究方法，先通过建立几何模型和热源模型，计算激光焊接中的温度场、应变场、应力场，研究其随工艺参数的变化规律，然后通过试验来研究工艺参数对焊缝接头形貌、熔深、熔宽的影响规律，再针对焊接试样进行力学性能分析，进一步研究焊缝强度和组织结构随工艺参数的变化关系，为激光焊接不锈钢的实际生产应用和焊接工艺的自动化提供数据参考，具有一定理论和现实意义。
　　首先通过焊接数值模拟分析软件SYSWELD对激光焊接不锈钢薄板建立了几何模型和热源模型，并根据实际工况设定了焊接数值模拟计算的边界条件。然后分别改变激光功率和焊接速度，对激光焊接过程进行了数值模拟计算。分析结果可得出焊接激光功率越大，焊接最大变形和最大残余应力呈增长的趋势，而焊接速度越快，焊接最大变形和最大残余应力呈减小趋势;根据计算结果显示，激光功率对焊接结果的影响更为明显。然后本课题研究了施加预拉伸应力后，激光焊接不锈钢薄板的变形量和应力变化情况。通过对模拟结果进行分析，施加预拉伸应力可将变形量减小32.88％，等效残余应力可减小20.65％，纵向残余应力可减小29.72％，有效的控制了焊接变形和残余应力;最后对焊后平板进行了去应力退火工艺的数值模拟计算，结果显示焊后残余应力有了显著的减小。
　　本课题通过改变工艺参数进行大量激光焊接试验，研究不同工艺参数下焊缝接头形貌是否良好，熔深熔宽的大小以及深宽比的变化情况，初步得出焊缝形貌随工艺参数的变化关系;然后基于正交试验的思想，对试样进行筛选并做拉伸试验，研究工艺参数对拉伸强度的影响规律，得到最佳焊接工艺参数为功率2kw，焊接速度3m/min，离焦量0mm，保护气为Ar，气体流量为40L/min，焊缝接头最大抗拉强度可达到母材强度的83％;再针对抗拉强度最佳的试样进行金相组织分析和材料硬度试验，进一步深入了解焊缝接头的微观组织变化情况和焊缝不同区域硬度变化规律。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 激光焊接概述

1．2．1 激光焊接的发展

1．2．2 激光焊接的应用

1．3 数值模拟的发展与应用

1．4 课题研究的意义和内容

1．5 本章小结

第二章 焊接过程有限元分析理论基础

2．1 焊接热传导有限元方程

2．1．1 焊接热传导基本方程

2．1．2 焊接热传导有限元解法

2．1．3 热源模型方程

2．2 焊接应力和变形有限元分析

2．3 SYSWELD软件简介

2．4 本章小结

第三章 不锈钢激光焊接过程有限元数值模拟分析

3．1 激光焊接数值模拟

3．1．1 有限元模型的建立和网格的划分

3．1．2 边界条件设置

3．1．3 激光焊接热源模型选择

3．2 不同功率下激光焊接的数值模拟

3．2．1 不同功率下激光焊接温度场数值模拟

3．2．2 不同功率下激光焊接应力应变数值模拟

3．3 不同焊接速度下激光焊接的数值模拟

3．4 基于预拉伸法的激光焊接数值模拟

3．5 基于去应力退火法的焊接残余应力的控制

3．6 本章总结

第四章 1mm不锈钢板焊接工艺试验研究

4．1 试验材料及设备

4．1．1 试验材料

4．1．2 试验设备

4．2 试验方法、工艺参数及工装夹具

4．2．1 试验方法

4．2．2 试验参数

4．3 变形控制

4．4 1mm不锈钢板焊接工艺的研究

4．4．1 激光功率对焊缝接头的影响

4．4．2 焊接速度对焊缝接头的影响

4．4．3 离焦量对焊缝接头的影响

4．5 焊缝性能试验研究

4．5．1 基于正交试验的拉伸强度试验

4．5．2 焊接接头金相组织分析

4．5．3 显微硬度结果及分析

4．6 本章总结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要发表的论文

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