T型接頭激光深熔焊熱-力學有限元分析.pdf

1、激光焊接“三明治”夾芯板使三明治輕量化結構的優(yōu)點（高比強度、高比剛度）與激光焊接柔性加工技術的優(yōu)點（焊縫深寬比大、焊接應力與變形小等）有效結合，滿足了激光焊接三明治夾芯板的結構要求和生產效率要求，使三明治夾芯板的模塊化生產技術更加成熟，在船舶輕量化中的應用前景更加廣闊。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，應用實驗和有限元數值模擬的方法，研究了激光深熔焊的熱-力學現(xiàn)象。
　　在分析了國內外研究現(xiàn)狀

2、的基礎上，對激光深熔焊熱源模型進行了總結，建立了T型接頭溫度場模型并對實現(xiàn)算法進行了程序優(yōu)化，得到了T型接頭溫度場分布，預測了T型接頭焊縫形貌并優(yōu)化了工藝參數，最后模擬了T型接頭激光深熔焊的應力分布，得到了以下結論：
　　綜合考慮 T型接頭的實體模型、網格劃分和熱源模型的加載，基于 APDL（ANSYS參數化設計語言），優(yōu)化了焊接溫度場的實現(xiàn)算法；建立了T型接頭綜合材料模型，同時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際情況。
　　對九種體熱源模型進行了對比研究，其中的五種為新建體熱源模型，經過對比分析表明，雙橢球+柱組合熱源模型、錐+柱改進體熱源模型及旋體+柱改進體熱源模型所得模擬結果的溫度場輪廓與實驗焊縫輪廓匹配良好，可以準確的模擬T型接頭的激光深熔焊加工過程。進一步對新建立的旋體+柱改進體熱源模型進行了實驗驗證，并應用此模型模擬了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。
　　為了指導熱源模型的選取和簡化熱源模型參數的確定過程，基于響應面分析建立了激光深熔焊參數與熔深 WP、熔寬 WW、面板與芯板結合區(qū)焊縫的寬度WB之間的數學模型，經方差分析、數據檢驗、模型實驗驗證，證明了所建模型可用于焊縫形貌預測，從而使 T型接頭熱源模型參數的確定過程簡單有效；并以焊縫形貌參數和焊接成本為標準對激光深熔焊工藝進行了優(yōu)化。系統(tǒng)研究了焊接參數對焊縫形貌的

5、影響規(guī)律：對于熔深，激光功率影響最顯著且為正相關，其次是焊接速度且為負相關，裝配間隙單獨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相關，其次是激光功率且為正相關，裝配間隙和激光功率的交互作用對熔寬影響顯著；對于結合區(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。
　　應用生死單元技術對焊接過程中的應力進行了數值模擬，得到了焊接過程中應力的演變過程及應力場的分布情況，結果表明，隨著焊接熔池的移動，已凝固

6、焊縫應力由0迅速增大，在焊縫區(qū)、近焊縫區(qū)和面板與芯板的結合區(qū)出現(xiàn)高的應力集中區(qū)；焊接過程中，沿焊縫方向的應力SZ與沿厚度方向的應力SY值較接近且大于橫向應力SX，應力最大值出現(xiàn)在熱影響區(qū)。進一步對焊接殘余應力進行了分析，得到了焊接殘余應力的分布情況，結果表明，焊縫兩端的殘余應力分布規(guī)律相同，焊縫上表面橫向殘余應力SX與沿焊縫方向的殘余應力SZ較大沿厚度方向的殘余應力SY較?。粚τ赥型接頭來說，沿厚度方向亦存在較大殘余應力，在面板與芯板的