全位置多层多道焊数值模拟与试验研究

论文摘要

中厚板结构件在船舶制造、汽车加工以及高压容器等领域中得到了广泛的应用,由于其结构大、坡口宽等特点,对其进行焊接加工时具有一定的困难。对于中厚板结构件的焊接,主要有两种方式:一种是多层多道焊接;另一种是摆动填充焊接。由于多层多道焊具有小热输入量,有效减小变形的优点,因此多应用在大型结构件中,同时在多层多道焊接过程中,但是在层-层、道-道、层-道等之间相互影响,导致工件形成极大的温度梯度,从而产生极不均匀的焊接热应力和残余应力,使得工件成型较差,最终影响构件装配和使用。因此研究如何控制多层多道焊接技术有效应用于中厚板金属成形具有十分重要的意义。本文以平板、管道V形坡口多层多道焊为实验对象,搭建多层多道焊接试验系统,并利用有限元分析软件COMSOL对多层多道焊进行数值模分析.通过建立中厚板和管道数学模型,考虑温度、对流、辐射和相变潜热对材料物理性能的影响,对工件不同方向上温度、应力的变化规律以及冷却时间和峰值温度、高温停留时间对焊接成型的影响进行有限元分析,并将模拟结果与相同工艺条件下的试验结果进行对比验证.同时针对不同坡口、焊接工艺参数对焊接成型的影响规律进行试验探究。结果表明:仿真分析结果与焊接实验结果具有较好的重合度;对平板V形坡口,温度和热应力耦合场主要作用于工件的横向和纵向,对厚度方向的角变形影响较小.对管道V形坡口,温度和热应力耦合场主要作用于工件的轴向,而对于径向的影响较小;后续焊缝对峰值温度和高温停留时间有着显著的影响;焊接角变形呈现随着道间冷却时间的增大而减小的趋势,当冷却时间为120s时,角变形较小、效率最高且焊缝成形最好;焊接电流在89A～110A、电压在19.5V～20.6V、送丝速度在2.8mm/s～3.6mm/s内,填充满60°坡口时需要4层,且层数=焊道数,成型质量较好,当焊接电流在110A～130A、电压20.6V～21.0V和送丝速度3.6mm/s～4.1 mm/s内时,填充满60°坡口时需要3层,当焊接工艺参数超过此参数范围时,焊接参数过大,导致焊缝成型较差,角变形较大。这为后续多层多道焊接工艺的进一步研究奠定了基础。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 焊接温度场数值模拟的研究现状

1.3 焊接应力场的研究现状

1.4 研究方法和主要内容

1.4.1 本文主要内容

1.5 本章小结

第二章试验材料、设备及建模

2.1 焊接试验

2.1.1 试验材料及设备

2.2 有限元模型建立

2.2.1 几何模型的建立

2.3 网格划分

2.4 材料特性

2.5 边界条件

2.6 焊接热源

2.6.1 高斯分布热源模型

2.6.2 双椭球体分布热源

2.7 本章小结

第三章平板V形坡口多层多道焊数值模拟

3.1 平板多层多道焊数值模拟分析

3.2 机器人路径规划

3.2.1 焊接顺序及路径规划

3.2.2 机器人编程及偏移量计算

3.2.3 仿真试验

3.3 试验验证

3.4 本章小结

第四章平板多层多道焊工艺参数对成形影响分析

4.1 焊接缺陷

4.2 焊接速度对焊接成型的影响

4.3 V形坡口角度对焊接成型的影响分析

4.4 焊接工艺参数对焊接成型的影响分析

4.5 本章小结

第五章 20#钢管道多层多道焊数值模拟

5.1 管道多层多道焊数值模拟结果分析

5.2 高温峰值温度和高温停留时间对焊接成型影响分析

5.3 冷却时间对焊接成型影响分析

5.4 试验验证

5.5 本章小结

第六章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 成利强

导师: 李亮玉

关键词: 多层多道焊,温度场,应力场,冷却时间,数值模拟

来源: 天津工业大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 金属学及金属工艺

单位: 天津工业大学

分类号: TG44

总页数: 73

文件大小: 6260K

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