鋁合金激光深熔焊接過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值模擬研究.pdf

1、鋁合金由于其本身所具有的優(yōu)點(diǎn),深受汽車制造、航空航天等領(lǐng)域的青睞。鋁合金激光焊接技術(shù)成為鋁合金在這些領(lǐng)域推廣應(yīng)用的一個(gè)主要制約因素。由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)很大和其它一些物理性質(zhì),使得鋁合金的焊接性能很差,用傳統(tǒng)的焊接方法(比如TIG焊與MIG焊)焊鋁一般都比較困難并且存在很多焊接缺陷,如在焊后容易出現(xiàn)裂紋和氣孔,同時(shí)焊接過(guò)程還會(huì)造成低熔點(diǎn)合金元素(如鎂、鋅)的燒損,這些焊接缺陷嚴(yán)重阻礙了鋁合金進(jìn)一步的應(yīng)用。激光焊接鋁合金正是解決上述問題的

2、有效方法之一。 激光深熔焊接數(shù)值模擬中,熱源模型的選取直接關(guān)系到模擬的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)激光深熔焊接機(jī)理的分析,建立了一個(gè)新的面體組合熱源模型來(lái)模擬激光深熔焊接的傳熱過(guò)程。這個(gè)組合熱源模型采用高斯面熱源模擬等離子體和表面熔池對(duì)工件的加熱作用,采用旋轉(zhuǎn)高斯體熱源模型來(lái)模擬匙孔對(duì)工件的加熱作用,對(duì)激光深熔焊接熱過(guò)程進(jìn)行了研究。所作的試驗(yàn)相對(duì)比表明使用這種面體組合熱源模擬激光深熔焊接溫度場(chǎng)分布是合理的。并分析了鋁合金激光深熔焊接過(guò)程中的溫

3、度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布規(guī)律以及各焊接參數(shù)的影響,為激光深熔焊接方法的研究奠定基礎(chǔ)。 本文在有限元軟件ANSYS的基礎(chǔ)上建立了鋁合金筒體激光焊接三維模型,對(duì)簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)的焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬在模擬計(jì)算時(shí),采用ANSYS軟件的熱-結(jié)構(gòu)耦合功能,利用間接法,先計(jì)算焊接溫度場(chǎng),以溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果作為結(jié)構(gòu)分析的載荷,再進(jìn)行焊接應(yīng)力和變形的計(jì)算。最后通過(guò)后處理,給出了不同時(shí)刻焊縫處和垂直焊縫處各點(diǎn)的熱循環(huán)曲線和應(yīng)力分布曲線,而且計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)結(jié)

4、果和理論值相吻合。 利用本文模擬分析方法,對(duì)焊接過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬。簡(jiǎn)體焊縫處的軸向殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力,而沿焊縫方向,軸向殘余應(yīng)力一般在焊縫中間處最大。筒體焊縫外表面處的徑向殘余應(yīng)力多為壓應(yīng)力,在焊縫中心處,殘余應(yīng)力的峰值小于材料的屈服極限約為0.8σs,沿焊縫方向,先焊處的徑向殘余應(yīng)力多為壓應(yīng)力且沿焊縫方向呈遞減趨勢(shì),垂直焊縫方向,焊件的徑向殘余應(yīng)力多在零值附近變動(dòng)。 通過(guò)數(shù)值模擬研究,定量揭示了焊件預(yù)熱

5、溫度可以提高鋁合金表面對(duì)激光束的吸收率,增加焊接能量密度,影響激光深熔焊接熔深和熔寬的變化。并對(duì)不同預(yù)熱溫度下的鋁合金板進(jìn)行了激光焊接,得出最佳預(yù)熱溫度范圍300℃-400℃。將室溫和預(yù)熱條件下的焊縫成形進(jìn)行對(duì)比,預(yù)熱后的激光焊接焊縫熔寬明顯增大、熔深增加、無(wú)咬邊、外觀均勻光滑。并且研究了鋁合金表面吸收率對(duì)焊接過(guò)程的影響,當(dāng)鋁合金表面吸收率從10％增加到30％時(shí),背面熔透時(shí)間下降十分明顯,而表面吸收率繼續(xù)增加,背面熔透時(shí)間下降不再明顯。