文档介绍：激光电弧复合焊接数值模拟 NUMERICAL SIMULATION OF LASER-ARC HYBRID WELDING 摘要焊接是一个涉及物理、传热、冶金和力学等学科的复杂过程。高强钢由于其良好的性能在造船等重型机械中得到广泛应用,但正因为其用途的特殊性,对其连接技术也提出了更高的要求。本文以 7mm 厚的高强钢为研究对象,结合数值计算的方法,并利用有限元分析理论,选用高斯分布的热源模型,解决了热源移动的模拟。通过确定物理参数的变化,解决相变潜热等问题。利用 ANSYS 模拟了整个焊接过程的温度场分布,模拟对比了不同激光功率、电弧电流、焊接速度下的的温度场分布,得到了相应的熔深和熔宽的大小,并通过试验一一进行验证,模拟结果和试验测得的数据吻合良好。试验证明: 复合焊接能实现良好的桥接性,焊缝硬度高于母材,但低于单独的激光焊接,焊缝均匀性好。电弧的引入明显增加了焊接的熔深和熔宽。随着激光功率的增大,熔深增大,但超过一定值反而下降。电弧电流、焊接速度、激光离焦量、激光与电弧的距离都对焊缝的成型有重要影响,当这些参数达到合理的配置时,焊接质量最好。在激光功率 2kw , 相应电弧电流 1 OOA 左右,焊接速度 1 m/min 时, 焊缝形貌美观,熔深大。在离焦量为一 1 mm ,激光与电弧距离为 2mm 的条件下,熔池稳定,焊接效果好。关键词:激光电弧复合焊接数值模拟高强钢温度场工艺参数第一章绪论 引言焊接是涉及许多学科的复杂的物理、化学过程。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。焊接过程产生的焊接应力和变形,不仅影响焊接结构的制造过程,而且还影响焊接结构的使用性能。焊接热源的热能特性和力学特性直接影响着熔池和母材表面的热流分布、熔池的热传递和熔池内液态金属的流动,而熔池中液态金属的流动强烈地影响着熔池的几何形状,从而影响焊缝成形和质量,影响焊接接头的力学性能。由于高集中的瞬时热输入,在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形(残余变形、焊接收缩、焊接翘曲),而且焊接过程中产生的动态应力和焊后残余应力影响构件的变形和焊接缺陷,而且在一定程度上还影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。因此对焊接过程温度场和应力场以及焊接应力的分析就显得非常重要,它能帮助我们改善焊接工艺,提高焊接质量。传统的焊接温度场和应力预测依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式,以“理论—试验—生产”的模式来研究, 但仅从实验角度研究焊接热应力和焊后残余应力和变形问题难度很大,无前瞻性,不能全面预测和分析焊接对整个结构的力学特性影响,客观评价焊接质量。并且大量的试验增加了生产成本,耗费人力物力,尤其在军工、航天、航海、核反应堆等大型重要焊接结构制造过程中,任何尝试和失败都将造成重大经济损失,而数值模拟将发挥其独特的能力和优势,采用“理论—数值模拟—生产”的模式,可以使这一问题得到更好的解决。配合一定的工业试验,采用模拟技术, 建立合适的分析模型既可以减少试验节省时间,更能大大降低成本, 是目前焊接工程领域的一个研究热点随着有限元技术和计算机技术的飞速发展,为数值模拟技术提供了有力的工具,很多焊接过程可以采用计算机数值模拟。随着差分法、有限元法的不断完善, 焊接热应力和残余应力模拟分析技术相应的发展起来。用有限元技术和计算机技术模拟焊接温度场和应力应变场,研究复合热源焊接工艺中小孔、等离子体以及热源的相互祸合作用对于扩大激光加工的应用领域和提高国防装备具有重要的意义。激光电弧复合焊接技术是一种新兴的焊接技术,我国目前对激光复合焊接的研究工作虽然刚刚起步,但是焊接在材料加工中一直占有重要地位,现代制造业对焊接质量的要求也越来越高,激光电弧复合焊接是复合了激光与电弧在焊接中的优点,因此认真研究这种新兴的焊接技术对改善焊接的质量将会有重要的意义。本文基于大型有限元分析软件 ANSYS , 对中厚板高强钢复合焊接的过程进行数值模拟。首先通过数学计算获得复合焊接的热源模型,求出解析解。然后利用 ANSYS 分析其焊接温度场的变化规律,对复合焊接的工艺过程进行参数化优化设计,并通过对高强钢样板的焊接试验来验证数值模拟的正确性,检验焊接质量。 电弧焊接技术电弧焊接是一种熔化焊,是通过利用电极和工件之间引发的电弧,将电能转换成热能,熔化、结合被焊接金属的一种焊接方法。电弧焊接分非熔化极电弧焊接和熔化极电弧焊接。典型的非熔化极电弧焊为 TIG 焊,此外还有等离子弧焊、碳弧焊、原子氢焊等; 典型的熔化极电弧焊接为 MIG 焊,此外还有焊条电弧焊、埋弧焊和药芯焊等。 TIG 焊的电弧电流的传导是依靠保护气体电离产生的离子,是纯气体电弧;MIG 焊电流的传导,绝大部分依靠金属蒸气所产生的金属离子,小部分依靠保护气体