异厚度铝合金激光拼焊数值模拟

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1、摘要焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。利用ANSYS软件对异厚度铝合金激光拼焊的温度场进行三维瞬态有限元分析。为了提高计算精度和效率，采用过渡网格划分形式划分网格以保证焊缝处网格足够细小。选取高斯函数分布的热源模型，利用ANSYS软件的APDL语言编写程序实现移动热源的加载。在模拟中既考虑一般激光焊接

2、中材料热物理性能参数的温度相关性、熔化潜热、边界条件、等离子体、熔池对流、保护气体等对温度场的影响，又考虑异厚度铝合金激光拼焊的特性。利用高温热电偶检测异厚度铝合金激光拼焊过程中的温度场，将模拟值与实测值进行对比分析，结果表明模拟值与实测值吻合良好。采用间接法模拟应力应变场。定义弹性模量E，热膨胀系数a，泊松比p等随温度变化的材料力学参数值。指定塑性分析选项为经典的双线性随动强化(BKIN)。边界条件约束焊件的自由度，以模拟夹具的作用。模拟结果显示，由于厚度不同，薄厚两板应力应变场存在差异，薄板焊缝附近的应力场范围较大，变形

3、比厚板复杂且比厚板大。利用小孔释放法检测异厚度铝合金激光拼焊板的残余应力，将模拟值与实测值进行对比分析，结果显示模拟值与实测值吻合良好。对异厚度铝合金激光拼焊的熔化过程进行分析。选用三种不同的热源模型：高斯面热源、体热源、组合热源，利用ANSYS软件对异厚度铝合金激光拼焊的温度场进行三维瞬态有限元分析，观察三种热源模型形成的熔池形状(即焊缝形状)。结果表明：采用组合热源模型模拟的焊缝形状与实际拼焊的焊缝形状最为接近，证明分析的合理性。利用异厚度铝合金激光拼焊间隙填充模型，建立偏移量与间隙、工件厚度比、激光光束半径的定量关系式

4、，关系式中偏移量与间隙、激光光束半径成正比，与工件厚度比成反比。在异厚度铝合金激光拼焊工艺实验中，选取不同的工件厚度比进行偏移定量关系式的验证实验。实验结果表明：理论计算值与工艺实验值基本吻合。理论计算值可以作为异厚度铝合金激光拼焊工艺实验的定量参考值。关键词：铝合金；激光焊；异厚度；温度场；应力应变；数值模拟；熔化特性；偏移量ⅡAbstractWeldingisacomplicatedphysicochemicalprocesswhichinvolvesinelectromagnetism，heattransferring

5、,metalmeltingandfreezing，phase-changeweldingstressanddeformationandsooil．Inordertogethighqualityweldingstructure，thesefactorshavetobecontrolled．Ifweldingprocesscanbesimulatedwithcomputer，thebestdesign，proceduremethodandoptimumweldingparametercanbeobtained．ByusingAN

6、SYSsoft,a3DtemperaturefieldofaluminumalloyfordifferentthicknesswithlaserweldingWassimulated，Inordertoimprovesolutionaccuracyandefficiency,thetransitionmeshWasused．GaussfunctionbeatSOUrCemodelWaschose．ANSYS’APDL协compileprogramtoapplyloadofmovingheatSOurCewasused．The

7、effectsoftemperature-dependencematerialparametersandpotentialheat，boundaryconditions，plasma,meltingpoolconvectionandcharacteristicsofdifferentthicknessareconsideredinthemodel．Byusinghigh-temperaturethermocouple，thetemperatureWasmeasured．Itisshownthatthesimulationre

8、sultsareinaccordancewiththeexperimentalresults．Theeffectsoftemperature-dependencematerialparameterswereconsideredinthemodel．TheBKINWasestablished