高频微振激光焊接工艺研究及数值模拟

发布时间：2017-05-04 15:01

  本文关键词：高频微振激光焊接工艺研究及数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：激光焊接在现代工业生产中应用十分广泛,其高效、快速、灵活的加工特点使其能够很好的应用于汽车制造、航空航天、海洋船舶以及能源工业等领域。振动焊接工艺能够有效细化焊接接头组织,降低焊后工件的残余应力,减小焊接角变形,提高焊接质量。本文结合激光焊接和振动焊接,探讨高频微振激光焊接的工艺特点。采用数值模拟的方法,利用ANSYS大型有限元分析软件对高频微振激光焊接过程中形成的焊接温度场、焊后工件上残余应力以及焊接角变形进行模拟分析。采用热电偶测温法对工件上相关点的焊接热循环曲线进行测量,用盲孔法测定被焊工件指定路径上的横向及纵向残余应力分布,并将实测结果与模拟结果进行对比分析。选用316奥氏体不锈钢作焊接试验材料,模拟试验采用对称方式建模,选用双椭球热源模型,并设置焊接激光功率为3000W,焊接速度为0.025m/s。在焊接温度场的模拟过程中,由于微振动因素对温度场的作用十分有限,忽略其对焊接温度场的影响,模拟得到焊接温度场的中心温度在2106℃左右。应力场的模拟分析采用间接耦合的方法,将温度场模拟的结果作为载荷整体加载到被焊工件上,而将工件谐响应分析后得到的各节点随时间变化的振动位移值作为应力场模拟的边界条件进行加载,模拟分析得到在较高的共振频率下,焊后工件上横向及纵向残余应力较小,且焊接变形较小。焊接工艺试验中,分析不同振动参数条件下激光焊接接头的微观组织形貌及其力学特性,同时用预设试验测量被焊工件上相关点的焊接热循环曲线以及焊后工件上指定路径的横向及纵向残余应力变化。将试验测量结果和模拟结果进行对比发现,实测温度场及残余应力值与模拟结果具有一致性,各项结果误差控制在10%以内,相关曲线的实测结果与模拟结果变化趋势相同,模拟较为合理。同时,通过对比不同振动参数下焊接接头微观组织可以发现,在较高的共振频率下,接头组织晶粒更细,高温铁素体和点状碳化物形成相对较少且更加弥散,并且在高频微振激光焊接条件下得到的焊接接头组织显微硬度有所上升。
【关键词】：高频微振 激光焊接 数值模拟 温度场 残余应力
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG456.7
【目录】：

• 摘要6-7
• abstract7-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 激光焊接及研究概况13-14
• 1.3 振动焊接及研究概况14-16
• 1.4 激光焊接数值模拟研究概况16-18
• 1.4.1 激光焊接温度场数值模拟16-18
• 1.4.2 激光焊接应力场数值模拟18
• 1.5 研究目的及研究内容18-19
• 1.6 技术路线19-20
• 第二章 激光焊接热力学有限元理论20-34
• 2.1 激光焊接热学基础20-23
• 2.1.1 传热学理论基础20-21
• 2.1.2 焊接温度场21-22
• 2.1.3 焊接热循环22-23
• 2.1.4 激光焊接热学特征23
• 2.2 激光焊接热传导有限元方程23-29
• 2.2.1 焊接热传导有限元基本方程23-24
• 2.2.2 非线性瞬态温度场的有限元解法24-25
• 2.2.3 焊接热源模型25-29
• 2.3 激光焊接热应力及变形理论29-31
• 2.4 激光焊接热塑性有限元模型31-33
• 2.4.1 应力应变关系31-32
• 2.4.2 平衡方程及其求解32-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第三章 高频微振激光焊接温度场模拟34-46
• 3.1 引言34-35
• 3.2 高频微振激光焊接温度场模拟中有限元模型建立35-39
• 3.2.1 温度场模拟中振动的处理35-36
• 3.2.2 单元类型的选择36
• 3.2.3 几何模型建立及网格划分36-38
• 3.2.4 时间步长的确定38-39
• 3.3 材料热物理性能参数39-41
• 3.4 激光焊接温度场模拟结果及分析41-45
• 3.4.1 焊接过程中温度场分布41-43
• 3.4.2 焊接工件上不同位置点的温度随时间的变化历程43-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第四章 高频微振激光焊接应力场模拟46-59
• 4.1 引言46
• 4.2 应力场模拟中单元类型选择46-47
• 4.3 应力场模拟中材料物理性能参数47-49
• 4.4 高频微振激光焊接应力场模拟中边界条件及振动的处理49-51
• 4.4.1 边界条件定义49
• 4.4.2 生死单元技术的应用49-50
• 4.4.3 应力场模拟中振动的处理50-51
• 4.5 高频微振激光焊接应力应变分析51-57
• 4.5.1 被焊工件模态分析51-53
• 4.5.2 应力分析53-56
• 4.5.3 应变分析56-57
• 4.6 本章小结57-59
• 第五章 高频微振激光焊接工艺试验研究59-76
• 5.1 试验过程及方案设计59-60
• 5.2 焊接温度场试验测量60-65
• 5.2.1 温度场试验测量方法及原理60-61
• 5.2.2 焊接热循环曲线测定61-63
• 5.2.3 测试结果与模拟结果对比分析63-65
• 5.2.4 温度测量的误差分析65
• 5.3 焊接残余应力试验研究65-72
• 5.3.1 残余应力测试方法及原理65-67
• 5.3.2 被焊工件残余应力测试67-69
• 5.3.3 残余应力测试结果分析69-71
• 5.3.4 焊接残余应力测量的误差分析71-72
• 5.4 高频微振激光焊接工艺分析72-74
• 5.4.1 微观组织形貌分析72-73
• 5.4.2 显微硬度测试73-74
• 5.5 本章小结74-76
• 第六章 总结与展望76-79
• 6.1 结论76-77
• 6.2 展望77-79
• 参考文献79-83
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果83-84
• 致谢84-85

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