薄板激光—电弧复合焊温度场和变形的数值模拟研究

发布时间：2020-04-08 16:08

【摘要】：随着汽车行业的快速发展,节能减排的要求越来越高,汽车轻量化成为一种必然趋势。而降低汽车重量的方式有结构优化、轻合金材料的使用等。焊接是汽车部件的一种重要连接方式,轻量化的实现,不仅需要结构优化和降低使用材料的重量,开发出新的焊接工艺也是一个丞待解决的难题。传统的电弧焊接方式在进行薄板焊接时,会产生较大的变形,变形的后期矫正耗时耗资。激光焊接变形较小,但是对于接头的加工要求较高,而且由于激光的能量利用率低,焊接加工成本高。激光电弧复合焊接,可以达到“1+12”的协同效果,不仅能提高激光焊接的能量使用率,降低对接头的加工要求,而且可以减小焊接变形。论文以通用有限元软件ABAQUS为平台,开发了一种同时考虑材料非线性和几何非线性的热—弹—塑性有限元方法模拟激光电弧复合焊接过程,以及焊接所产生的温度场和变形的分布。采用激光电弧复合焊接机器人进行工艺试验,与计算模拟激光电弧复合焊结果比较,通过面外变形的试验测量与计算结果对比验证了所开发数值模拟方法的有效性。讨论了激光功率、电弧功率、光丝间距、焊接速度等工艺参数对于焊接温度场和变形的影响,将最优工艺参数用于后期对比试验。定量的对比了激光焊接、电弧焊接和激光电弧复合焊接三者所产生的温度场、变形和应力场的分布规律。激光电弧焊接所产生的变形形式与激光焊接相似,变形量与电弧焊接相比减小了很多。采用三坐标测量仪测量了试验所得焊接试件的焊接变形,与计算结果对比,两者相吻合,进一步验证了计算方法的有效性。最后,利用所开发的计算方法,进行了T型接头的激光电弧复合焊接与电弧焊接的温度场、变形对比。研究结果表明:所开发的非线性有限元计算可以有效的模拟低碳钢薄板激光电弧复合焊接的温度场和变形。激光电弧焊接的工艺参数对于温度场和变形的影响规律:光丝间距对于温度场和变形场的影响较大,在一定范围内温度和变形都变化较小,超出范围面外变形模式由凹凸型变化为凸凹型变形;电弧功率影响熔池熔宽,激光功率对熔池熔深影响更大;加快焊接速度,得到了稳定的温度场和变形场,表明激光电弧复合焊接可以实现高速焊接。利用大变形理论比较了激光焊接、MIG电弧焊接和激光-MIG复合焊接温度场、变形场和应力场,激光-MIG复合焊接面外变形模式与激光焊相同,与MIG焊接相比可以明显的降低焊接变形。激光电弧焊接所得最大应力值小于低碳钢薄板的屈服应力,而激光焊与MIG焊所得最大应力值均大于屈服应力。对比结果表明,激光电弧复合焊接融合了激光与电弧两者的特点,也避免了两者的缺点,可以有效的减小变形,热输入介于两者之间。本文还利用所开发的有限元计算方法模拟了T型接头的焊接温度场和变形,并以试验的方式验证了计算结果的正确性。本文所开发的有限元计算方法,为激光电弧复合焊接的进一步推广应用有一定的工程价值。
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弹-塑性,有限元计算,方法,固有应变

图 1.1 热-弹-塑性有限元计算方法Fig.1.1 Thermal-elastic-plastic finite element method.3.3 固有应变法固有应变法也是最早由日本学者提出，是指温度应变、塑性应变和相变应者的综合残余应变。当构件经过了一次焊接热循环后，温度应变为零，所以为塑性应变和相变应变。由于焊接过程是一个不均匀的加热过程，不同的位着温度剃度，特别是焊缝周围热梯度最大。焊缝附近由于加热很快，热传导相对较慢，所以没被加热的地方就会由于不能自由变形而对被加热部位有一拘束作用，，阻碍其变形。所以，焊缝及其附近的高温区域就累积了压缩塑性。而高温区域由于内部产生了相变，也会有相变应变的堆积。固有应变的产要在于焊缝高温区域。固有应变法可以弥补前面所提到的两种预测方法的不用于解决大型构件的焊接变形问题，也可以较大范围的应用于工程实际问题一种实用且有着发展前途的焊接变形预测方法。但是由于固有应变法是一种的预测方法，在焊缝附近的固有应变较难测量，且有一定的误差，所以也有

体积分布,热源模型,锥形体

重庆大学硕士学位论文( 2.4 )其中，和表示锥形体的最大最小半径，和表示上下表面的 Z 坐标值；r 表示锥形体内部的任意点的半径值。对于组合式体积分布热源，双椭球分布的电弧热流作用于工件表面，而工件内部的激光热源则采用峰值指数递增的锥形体热源模型。通过调节双椭球热源模型的参数和锥形体热源的参数，来近似的模拟电弧对于激光的吸引作用和激光对电弧的收缩作用。双椭球热源和锥形体的热源模型如图 2.1 所示。 eiiieieieeiicvzzzzrrrrezzrrrrQeqrz232233exp119, erireziz
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U466

【参考文献】