中厚板激光多層焊溫度場與應(yīng)力應(yīng)變場的數(shù)值模擬.pdf

1、激光多層焊可以實現(xiàn)超窄間隙中厚板的單道多層焊接，有效提高焊接生產(chǎn)效率，減少耗材與焊接變形。激光熱源作用模式對焊縫側(cè)壁熔合的影響、多層焊過程焊縫冷卻速度及應(yīng)力應(yīng)變情況都是這一工藝的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，很難采用試驗方法直接獲得?；诖?，本文應(yīng)用大型有限元軟件MSC.Marc，對中厚板激光填絲多層焊瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場進行了計算分析。
　　焊接過程采用的是雙光束熱源，首先確定了雙橢球+高斯圓柱熱源模型，綜合考慮對流、輻射傳熱的影響，定義隨溫

2、度的變化的材料熱物理性能參數(shù)，采用生死單元法模擬焊絲的填加過程，建立了激光填絲多層焊有限元模型。
　　利用Marc中的瞬態(tài)熱分析功能模塊計算了焊接過程中的溫度場，將計算獲得的熔池截面和特征點的熱循環(huán)曲線與實驗結(jié)果進行對比，驗證了模型的準確性。論文計算分析了常規(guī)激光填絲焊、輔助層間保溫和熱絲工藝下的各自溫度場特征。結(jié)果表明，層間保溫能有效的降低焊縫和熱影響區(qū)的冷卻速度，但對熔池橫截面的尺寸影響較??；熱絲焊既能夠有效增大熔池尺寸，提高

3、側(cè)壁熔合性，也能一定程度的降低焊縫和熱影響區(qū)的冷卻速度。
　　利用Marc中的瞬態(tài)熱-力耦合功能模塊計算了冷絲、層間保溫和熱絲三種情況下的應(yīng)力應(yīng)變場。計算結(jié)果表明：中厚板激光填絲多層焊焊縫內(nèi)部存在“帶狀”應(yīng)力集中，焊縫中部處于雙向拉伸狀態(tài)，縱向應(yīng)力大于橫向應(yīng)力；層間保溫工藝能夠有效降低激光填絲多層焊接頭的殘余應(yīng)力，緩和接頭內(nèi)部的“帶狀”應(yīng)力集中，并且能夠減小坡口收縮趨勢；熱絲工藝在緩和“帶狀”應(yīng)力集中方面有顯著的作用，同時能在一定

4、程度上降低接頭內(nèi)部的等效應(yīng)力和縱向應(yīng)力，但使橫向應(yīng)力整體上有所增大，坡口收縮量增加。
　　除此之外，論文還對激光多層焊特殊的熱循環(huán)和應(yīng)力變化進行了分析，結(jié)果表明：在激光熱源的作用下，焊縫中心經(jīng)歷瞬間加熱和冷卻過程，高溫?zé)嵫h(huán)基本不受前層“預(yù)熱”的影響，二次熱循環(huán)下的冷卻速度有所降低；熱影響區(qū)范圍很窄，焊縫到熱影響區(qū)之間峰值溫度和冷卻速度降低明顯。焊接過程中先焊層對后焊層的預(yù)熱作用有助于緩和熔池前端的應(yīng)力集中，后焊層的收縮作用能夠降