T型接頭激光深熔焊熱-力學(xué)有限元分析.pdf

1、激光焊接“三明治”夾芯板使三明治輕量化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)（高比強(qiáng)度、高比剛度）與激光焊接柔性加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)（焊縫深寬比大、焊接應(yīng)力與變形小等）有效結(jié)合，滿足了激光焊接三明治夾芯板的結(jié)構(gòu)要求和生產(chǎn)效率要求，使三明治夾芯板的模塊化生產(chǎn)技術(shù)更加成熟，在船舶輕量化中的應(yīng)用前景更加廣闊。本課題以船舶輕量化為研究背景，以T型接頭為研究對象，基于ANSYS平臺，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬的方法，研究了激光深熔焊的熱-力學(xué)現(xiàn)象。
　　在分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2、的基礎(chǔ)上，對激光深熔焊熱源模型進(jìn)行了總結(jié)，建立了T型接頭溫度場模型并對實(shí)現(xiàn)算法進(jìn)行了程序優(yōu)化，得到了T型接頭溫度場分布，預(yù)測了T型接頭焊縫形貌并優(yōu)化了工藝參數(shù)，最后模擬了T型接頭激光深熔焊的應(yīng)力分布，得到了以下結(jié)論：
　　綜合考慮 T型接頭的實(shí)體模型、網(wǎng)格劃分和熱源模型的加載，基于 APDL（ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言），優(yōu)化了焊接溫度場的實(shí)現(xiàn)算法；建立了T型接頭綜合材料模型，同時(shí)考慮了材料屬性隨溫度的變化、熔池對流、相變潛熱、材料

3、輻射等問題，使所建模型盡量的接近實(shí)際情況。
　　對九種體熱源模型進(jìn)行了對比研究，其中的五種為新建體熱源模型，經(jīng)過對比分析表明，雙橢球+柱組合熱源模型、錐+柱改進(jìn)體熱源模型及旋體+柱改進(jìn)體熱源模型所得模擬結(jié)果的溫度場輪廓與實(shí)驗(yàn)焊縫輪廓匹配良好，可以準(zhǔn)確的模擬T型接頭的激光深熔焊加工過程。進(jìn)一步對新建立的旋體+柱改進(jìn)體熱源模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并應(yīng)用此模型模擬了T型接頭激光深熔焊的溫度場，得到了焊接過程與冷卻過程的溫度場變化，研究了焊接

4、熔池的三維形狀，討論了激光功率與焊接速度對焊接熔池形狀的影響。
　　為了指導(dǎo)熱源模型的選取和簡化熱源模型參數(shù)的確定過程，基于響應(yīng)面分析建立了激光深熔焊參數(shù)與熔深 WP、熔寬 WW、面板與芯板結(jié)合區(qū)焊縫的寬度WB之間的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)方差分析、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)、模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了所建模型可用于焊縫形貌預(yù)測，從而使 T型接頭熱源模型參數(shù)的確定過程簡單有效；并以焊縫形貌參數(shù)和焊接成本為標(biāo)準(zhǔn)對激光深熔焊工藝進(jìn)行了優(yōu)化。系統(tǒng)研究了焊接參數(shù)對焊縫形貌的

5、影響規(guī)律：對于熔深，激光功率影響最顯著且為正相關(guān)，其次是焊接速度且為負(fù)相關(guān)，裝配間隙單獨(dú)變化對熔深影響不顯著；對于熔寬，焊接速度影響最顯著且為負(fù)相關(guān)，其次是激光功率且為正相關(guān)，裝配間隙和激光功率的交互作用對熔寬影響顯著；對于結(jié)合區(qū)焊縫寬度，三因素對其都有影響，激光功率和裝配間隙的影響較顯著。
　　應(yīng)用生死單元技術(shù)對焊接過程中的應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了焊接過程中應(yīng)力的演變過程及應(yīng)力場的分布情況，結(jié)果表明，隨著焊接熔池的移動，已凝固

6、焊縫應(yīng)力由0迅速增大，在焊縫區(qū)、近焊縫區(qū)和面板與芯板的結(jié)合區(qū)出現(xiàn)高的應(yīng)力集中區(qū)；焊接過程中，沿焊縫方向的應(yīng)力SZ與沿厚度方向的應(yīng)力SY值較接近且大于橫向應(yīng)力SX，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在熱影響區(qū)。進(jìn)一步對焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析，得到了焊接殘余應(yīng)力的分布情況，結(jié)果表明，焊縫兩端的殘余應(yīng)力分布規(guī)律相同，焊縫上表面橫向殘余應(yīng)力SX與沿焊縫方向的殘余應(yīng)力SZ較大沿厚度方向的殘余應(yīng)力SY較??；對于T型接頭來說，沿厚度方向亦存在較大殘余應(yīng)力，在面板與芯板的