激光+GMAW复合热源焊接温度场和热变形的有限元分析

摘要

Nd:YAG激光+GMAW复合热源焊接将激光和电弧这两种热源复合在一起，同时作用于同一加工位置，充分利用两种热源各自的优势，又相互弥补各自的不足，成为一种优质、高效的焊接成形新工艺。 本文针对该新型焊接工艺的特点，建立激光+GMAW复合热源焊接过程的数值分析模型，为实现其工艺参数的优化奠定基础。从宏观的焊接热过程出发，根据复合热源焊接的焊缝形状特点，建立了适用的、恰当的复合热源焊接的体积热源分布模式，即沿板厚方向，工件的上部采用双椭球体热源，下部为中心轴热流峰值线性递增的圆柱体热源。将“双椭球体+峰值递增圆柱体”组合式热源应用于SYSWELD软件与复合热源焊接热过程的有限元分析模型，计算了不同工艺条件下的复合热源焊接温度场以及焊缝形状尺寸，计算与实验结果吻合。证明了所提出的组合式体积热源的合理性和适用性。根据上述焊接温度场的计算结果，对复合焊接接头的热变形情况进行了初步计算，在焊缝熔深基本相同的情况下，对复合热源焊接和GMAW焊接的应力变形进行了比较，发现复合热源焊接时横截面、纵截面、上表面以及整体的变形量均要比GMAW焊时的小。本文的研究在为激光+GMAW复合热源焊接工艺参数优化提供理论数据的同时进一步印证了该工艺的优越性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第1章绪论

1.1选题意义

1.2激光+电弧复合焊接的研究进展

1.2.1复合焊接机理的研究

1.2.2复合焊接工艺的研究

1.3焊接应力场数值模拟的研究现状

1.3.1传统焊接中的应力场模拟

1.3.2激光焊接中的应力场模拟

1.4焊接数值模拟软件的研究进展与应用现状

1.5本文研究内容

第2章有限元模型及SYSWELD软件介绍

2.1有限元分析的步骤

2.2焊接温度场的有限元分析

2.3焊接应力变形的有限元分析

2.3.1应力应变关系

2.3.2应力场计算平衡方程

2.3.3焊接热弹塑性有限元求解过程

2.4 SYSWELD软件介绍

2.4.1建立工件和工件离散

2.4.2前处理

2.4.3模型的建立、检验与计算

2.4.4后处理与结果分析

2.5 SYSWELD软件的二次开发

2.5.1相应热源函数的二次开发

2.5.2工件材料热物性参数的修正

2.6本章小结

第3章激光+GMAW复合焊接温度场数值模拟

3.1材料热物理性能及网格划分

3.2 GMAW焊接数值计算结果与实验验证

3.2.1 GMAW焊接热源模型

3.2.2计算结果与实验验证

3.3激光焊接数值计算结果与实验验证

3.3.1激光焊热源模型

3.3.2计算结果与实验验证

3.4激光+GMAW复合焊接数值计算结果与实验验证

3.4.1激光+GMAW复合焊接热源模式

3.4.2计算结果与实验验证

3.5本章小结

第4章激光+GMAW复合焊接热变形的初步分析

4.1相关力学性能参数

4.2变形情况的计算

4.3本章小结

第5章结论

参考文献

附录

致 谢