激光-MAG复合焊焊接Q345D/304数值模拟

作     者：王丹 

作者单位：西南石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨眉

授予年度：2018年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：激光—电弧复合焊 焊接数值模拟 熔池形貌 应力与变形 

摘      要：激光—MAG复合焊具有激光焊的大熔深和普通电弧焊对装配精度要求低的特点,弥补了单一激光焊和电弧焊各自的缺点,因此其焊接适应性更强,适合各种金属材料的焊接。异种金属的连接被广泛用于石油化工业,能源传输业和压力容器制造业等领域,但是由于异种金属具有不同的热物性,因此在焊接过程中工件会发生不同程度变形并产生焊接应力,而高残余拉应力集中区域往往更容易受到破坏,同时变形会影响工件使用。目前,研究异种金属材料焊接往往是采用实物试验,这个过程耗时耗力,并且一旦改变焊接结构就需要重新进行试验,而通过焊接数值模拟可以仿真出焊接后工件变形大小和应力集中区域,并大幅度减少试验次数,降低试验成本,缩短试验周期,因此对工程实践具有指导意义。本文采用激光焊接,MAG焊接和激光—MAG复合焊接方法对Q345D表面进行堆焊,试验结果表明激光焊(PL=1.5-3.5KW)与MAG焊接(送丝速度V=5.7-7.7mm/s)得到的熔深、熔宽与激光功率和送丝速度成正相关性;激光—MAG复合焊接中(PL=1.5-3.5KW,送丝速度V=5.7-7.7mm/s),随激光功率增加,熔深增加,但对熔池熔宽和余高影响不大,而随送丝速度增加,熔宽有明显增加。本文基于***焊接仿真软件,建立数值仿真模型,研究热源参数和多热源组合对熔池形貌的影响。熔池仿真研究结果表明,采用Goldak热源得到的熔池截面形貌呈弧形,不适合大电流MAG焊和激光—MAG复合焊;采用Goldak+激光体积热源与激光表面+激光体积热源组合得到的熔池截面呈现出“高脚杯形貌,可以用于大电流的MAG和激光—MAG复合焊仿真。不同热源仿真不同焊接方法单层焊接Q345D/304的试验表明,激光焊,激光—电弧复合焊和小功率激光—电弧复合焊均能焊透工件,而电弧焊无法焊透工件。采用小功率激光—电弧复合焊焊后的焊缝具有较大的熔深和较窄的熔池;不同焊接方法,焊后残余等效应力峰值不同,小功率激光—电弧复合焊为581.07Mpa,激光—电弧复合焊为560.81Mpa以及激光焊为515.84Mpa;在上和下表面纵横向应力中,不同焊接方法焊后所产生应力趋势一致,尤其小功率激光—电弧复合焊与激光焊的应力趋势非常接近。对激光—MAG复合焊多层焊接Q345D/304对接板进行数值仿真,将熔池截面形貌和变形与模拟仿真结果进行验证,验证结果表明仿真结果能与实际结果吻合良好,因此可以通过数值模拟仿真激光—MAG复合焊;改变多层焊层间焊接方向发现,焊后残余等效应力峰值 Case a 为 584.49MPa、Case b 为 580.65 MPa、Case c 为 591.55 MPa 以及Cased为589.84MPa,因此峰值应力并没有发生较大变化,但焊后受约束位置应力大小和分布发生较大的变化;改变工件焊接过程约束发现,在峰值应力上,有约束为584.49MPa,无约束为583.6MPa,因此本试验中夹具对工件等效应力峰值的影响并不大。