鋁合金激光深熔焊接過程應(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,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)用的一個主要制約因素。由于鋁合金的導熱系數(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,同時焊接過程還會造成低熔點合金元素(如鎂、鋅)的燒損,這些焊接缺陷嚴重阻礙了鋁合金進一步的應(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)系到模擬的準確性。通過對激光深熔焊接機理的分析,建立了一個新的面體組合熱源模型來模擬激光深熔焊接的傳熱過程。這個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工件的加熱作用,采用旋轉(zhuǎn)高斯體熱源模型來模擬匙孔對工件的加熱作用,對激光深熔焊接熱過程進行了研究。所作的試驗相對比表明使用這種面體組合熱源模擬激光深熔焊接溫度場分布是合理的。并分析了鋁合金激光深熔焊接過程中的溫

3、度場、應(yīng)力應(yīng)變場分布規(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,對簡體結(jié)構(gòu)的焊接溫度場進行動態(tài)模擬在模擬計算時,采用ANSYS軟件的熱-結(jié)構(gòu)耦合功能,利用間接法,先計算焊接溫度場,以溫度場的計算結(jié)果作為結(jié)構(gòu)分析的載荷,再進行焊接應(yīng)力和變形的計算。最后通過后處理,給出了不同時刻焊縫處和垂直焊縫處各點的熱循環(huán)曲線和應(yīng)力分布曲線,而且計算結(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,對焊接過程產(chǎn)生的應(yīng)力進行了實時動態(tài)模擬。簡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,垂直焊縫方向,焊件的徑向殘余應(yīng)力多在零值附近變動。 通過數(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。并對不同預(yù)熱溫度下的鋁合金板進行了激光焊接,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行對比,預(yù)熱后的激光焊接焊縫熔寬明顯增大、熔深增加、無咬邊、外觀均勻光滑。并且研究了鋁合金表面吸收率對焊接過程的影響,當鋁合金表面吸收率從10％增加到30％時,背面熔透時間下降十分明顯,而表面吸收率繼續(xù)增加,背面熔透時間下降不再明顯。