铝合金板焊接残余应力数值模拟及其评估控制

作     者：杨全 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗家元

授予年度：2019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：焊接残余应力 熔池流动 焊接路径优化 焊接工艺参数优化 

摘      要：由于焊接加热的局部性和瞬时性,使得工件焊接过程中存在不协调的塑性应变,在工件冷却后形成分布不均的焊接残余应力。特别对于热传导高、热膨胀系数较大的铝合金来说,焊接时更容易产生较大的不协调塑性变形。因此研究铝合金焊接过程残余应力应变的演化过程及形成机理,对评估和消减残余应力具有重大意义。本文基于流体力学、传热学、应力应变等基本理论,在理论分析的基础上进行有限元数值模拟,建立热源移动的三维焊接有限元模型,对焊缝残余应力形成过程及影响因素开展研究。本文主要工作如下:探寻焊接过程中浮力、电磁力、Marangoni力和电弧力耦合作用下熔融金属液体产生的流动特性对焊接温度场的影响规律。对比分析焊接过程中熔池的流场和温度场分布,找寻流场对温度场的影响规律。分析结果显示:随着电流的增大和熔池搅动速度的增加,热量向四周扩散速率随之增大,热流更为分散,降低了温度场峰值,但增大了熔池体积。开展基于热-弹-塑性理论的焊接过程数值模拟。量化分析整个焊接过程中的温度场和应力应变场的分布规律以及应力应变随时间的演变轨迹;通过改变输入热量的大小,得到分布相似峰值不同的纵向和横向残余应力,探寻温度场对残余应力场的影响规律,发现横向残余应力变化对温度更为敏感。进行焊接路径对残余应力的影响研究。由于不同焊接路径会改变输入热量产生的温度场,进而影响残余应力场。以分段焊接路径为出发点,对比不同焊接路径下的温度场演变规律和纵横两向残余应力场分布规律,分析结果表明:分段焊接能有效降低温度场峰值从而降低残余应力水平,并且从焊接工件中心向外焊接是最优的路径。通过设计正交优化试验,分析焊接电压、焊接电流和焊接速度对焊接残余应力场的影响规律和影响程度,求解出最优组合。并基于最优焊接工艺参数组合,研究坡口因素对焊接残余应力场的影响。研究结果显示:焊接I形坡口残余应力小于Y形坡口,且Y形坡口残余应力随着坡口角度的增加而增大。