镁合金FSW接头微观结构演化与组织、性能的关联性

为了研究AZ31镁合金FSW过程中的微观结构演化与组织、性能间的关联性,采用Monte Carlo和试验相结合研究焊接区域微观结构演化,测试焊接区的组织与性能,构建微观结构演化和组织、性能间的Hall-Petch关系式。结果表明:AZ31镁合金的FSW前进侧和后退侧硬度的最小值均在搅拌针和轴肩之间的覆盖区域,且后退侧材料硬度较前进侧稍高。搅拌头转速增加时,镁合金FSW搅拌区晶粒增大,说明搅拌头旋转导致的温度变化对搅拌区的晶粒形貌变化具有重要影响。随着搅拌头转速的增加,镁合金FSW温度升高,同时应变率随之增加,温度升高导致晶粒变大,应变率增加导致形核率增加从而导致晶粒变小,综合作用的结果使搅拌头转速增加时镁合金FSW搅拌区晶粒随之增大。

冷金属过渡电弧增材制造高强钢过程中温度场的数值模拟

基于冷金属过渡(CMT)高频熄弧的特性,在双椭球热源模型的基础上建立了动态热源模型,采用ABAQUS软件建立了高强钢CMT电弧增材制造单道十层成形件的有限元模型,对成形过程中的温度场进行模拟,并与试验结果进行对比;采用模拟方法研究了层间冷却时间(30,60,90 s)和基板预热温度(20,200,300℃)对温度场的影响规律。结果表明:模拟得到基板表面距焊道中心20.5 mm处的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,波峰和波谷温度的相对误差均在10%以内,证明了模型的准确性。沉积下一层时仅对前一层起到重熔作用;在沉积过程中,熄弧端的峰值温度高于起弧端,而在冷却过程中,两端温度差逐渐降低。随着层间冷却时间的延长,熔池最高温度降低且熔池存在的时间变短,在冷却阶段的冷却速率增大但其增大的程度降低,成形件两端温度差降低,最佳层间冷却时间为90 s;随着基板预热温度的升高,熔池的最高温度和熔池尺寸均增加,最大波谷温度差先减小后增大,在基板预热200℃条件下,成形件的最大波谷温度差最小,温度分布更加均匀。

基于Lagrange-Galerkin有限元方法的焊接热循环轻量化求解

焊接热循环的干扰因素多、变化速度快、影响范围广,常需要对其进行即时预测与控制,以保证焊接质量。以焊缝中心温度分布与变化为研究对象,将其简化为一维焊接热循环瞬态热传导问题,并基于Lagrange-Galerkin有限元方法,进行算域离散与插值。开发了一种轻量化的焊接热循环求解算法,研究不同时刻下焊缝中心温度分布曲线与变化曲线的即时变化。以镍基Inconel 718合金2 mm薄板对接接头为例,进行数值模拟实例演算,结果表明计算耗时约0.41~0.72 s,满足数据与轻量化计算的要求。

铝合金旋转激光焊接小孔与熔池耦合动态行为数值分析

旋转激光对熔池的搅拌作用可以有效增加激光热源的作用范围,抑制激光焊接过程中的气孔等常见缺陷,提高焊接接头质量。由于旋转激光热源的物理特性,小孔和熔池的动态行为比传统的激光焊接更复杂。采用数值模拟的方法,在同时考虑小孔、反冲压力和熔池的耦合条件下,建立适用于激光焊的三维数学模型。该模型可以描述旋转激光焊接过程中小孔的动态行为特征、流体流动以及气泡在熔池中的形成过程和机理。结果表明,在常规激光焊接中,小孔呈现深而窄且处于不稳定的动态平衡过程,通常会形成气泡。如果气体未能及时溢出熔池,会形成气孔。随着激光旋转频率的增加,小孔变浅变宽,动态行为趋于稳定,可有效抑制气孔的形成。

电阻缝焊制备铁基非晶涂层温度场数值模拟

通过电阻缝焊成功在SUS304上制备出铁基非晶涂层,并测量制备过程的温度热循环.基于Comsol采用电-热耦合的有限元方法,重点分析制备过程电流密度及温度场的动态分布及换热机理,对比温度场的试验和模拟结果可知,相同位置模拟与试验的温度热循环曲线误差很小,验证了电-热耦合方法计算电阻缝焊制备制备铁基非晶涂层温度场的可靠性.结果表明,高电流密度区域主要存在于电极轮正下方粉末层底部的某些点位、以电极轮与粉末层接触面左右两端为中心的邻近区域,铁基非晶涂层制备过程的温度场不仅与电流密度分布相关,还受电极轮移动及涂层与附近区域的热交换所影响,使稳定时,在纵向温度几乎没有变化,在x-z截面呈左边高、右边次之、中间低的“凹”字形分布,相对应的热循环曲线则呈“升-降-升”的整体升温趋势.

旋转速度对静止轴肩搅拌摩擦焊温度场和应力场的影响

针对3 mm厚的2024-T4铝合金,采用ABAQUS软件建立静止轴肩搅拌摩擦焊热源三维模型,分析2024-T4铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊温度场和应力场的有限元模拟,研究了恒定150 mm/min焊接速度下,旋转速度从800 mm/min到1 200 mm/min对焊接接头残余应力的影响。结果表明:常规搅拌摩擦焊焊缝横截面高温区域呈现碗状分布,而静止轴肩搅拌摩擦焊呈类似于搅拌针形貌分布。相比于常规搅拌摩擦焊,静止轴肩可以获得更窄的搅拌区宽度,并且有效降低焊缝中心的峰值温度。焊后垂直于焊缝区域的纵向残余应力呈现“M”形分布,随着搅拌头旋转速度的增大,两种工艺下的焊后残余应力均增大。此外,静止轴肩在焊接过程中对焊缝区域持续碾压,使得焊后试样的纵向残余应力峰值相比较于传统搅拌摩擦焊能降低45.6%。

钢轨交流闪光焊液桥爆破演化行为

钢轨闪光焊接过程中焊件的加热、端面的保护、氧化物及污物的清除等都是由液桥的形成和爆破过程完成的.该文分析液桥在焊接过程中的演化行为,对于理解钢轨闪光焊接过程,深入研究焊接加热与保护机理有重要作用.通过特殊设计的钢轨接头和常规钢轨接头的闪光焊接试验,利用高速摄影采集钢轨交流闪光焊的液桥形成与爆破过程图像,并对图形进行计算与分析.结果表明,液桥的形成和爆破时间处于毫秒级范围,产生大量有利于端面保护和液桥爆破的高压金属蒸气,爆破后的高温金属射流速度超过90 m/s;液桥在形成长大过程中在钢轨端面上动态移动,影响钢轨端面均匀加热;液桥爆破并不是在液桥初始形成的位置;焊接过程中熔体会出现“二次爆破”现象;不仅动端钢轨的送进能够形成液桥,端面熔融金属层的震荡也有利于形成液桥.

层间冷却对电弧增材制造钛合金构件性能的影响

基于钨极氩弧焊的电弧增材制造(GT-WAAM)工艺,以6 mm厚Ti6Al4V合金为基板,直径1.2 mm的Ti6Al4V焊丝为材料,利用CO_(2)进行层间冷却,得到成形均匀的沉积结构。通过对焊接过程热循环特点、沉积形貌、硬度分布及力学性能分析,获得沉积结构质量评价。结果表明,提高冷却速率可以细化沉积结构晶粒,得到针状的α′相,从而改善材料的硬度和抗拉强度;在沉积结构中,堆积高度增加产生的热积累效应,使冷却气体中的C和O元素存在与堆积金属发生潜在的化学反应的可能。采用层间冷却控制层间温度能有效改善沉积结构质量,可使制造效率提高80%以上。

TIG-MIG间接电弧窄坡口焊侧壁未熔合缺陷数值分析及电场辅助抑制措施

文中用FLOW-3D软件模拟了TIG-MIG间接电弧焊接窄坡口厚4 mm 443铁素体不锈钢板对接侧壁未熔合缺陷的产生机理,提出一种电场辅助的抑制缺陷产生措施。研究结果表明:较窄的焊缝阻碍熔滴传热传质过程,在侧壁出现一个相比对侧低600℃的局部低温区域,进一步阻碍流体在此区域内与侧壁的熔合,因此产生侧壁未熔合缺陷。辅助电场的加入改善流体在焊缝侧壁的流动性,抑制未熔合缺陷的产生;焊缝内流体温度更高;侧壁熔合线距焊缝中心距离增加0.09 mm。

304不锈钢激光-电弧复合焊流场数值模拟研究

为研究304不锈钢在激光-电弧复合焊接过程中熔池内部的变化情况,采用有限元分析软件对304不锈钢进行激光-电弧复合焊流场数值模拟,分析不同焊接参数对焊缝形貌及微观结构的影响机制。结果表明,随着激光功率和焊接电流的增大,焊接热输入总量逐渐增大,焊缝熔池深度增大;激光扫描频率越大,焊接过程中热输入越快,焊缝熔池深度也越大;激光扫描振幅则影响了焊缝熔池的宽度,激光扫描振幅越大,熔池的宽度越大。激光功率、焊接电流、激光扫描振幅、激光频率不仅影响了熔池的宽度和深度,也影响了不锈钢表面熔液的流速和熔池内部温度场和流速场的均匀性,从而影响了焊缝成形和微观结构。此外,在光束搅拌效应下,熔滴以涡流的形式存在于熔池内部,而涡流的方向取决于激光移动的方向,激光向左扫描时形成逆时针涡流,向右扫描时形成顺时针涡流。同时动态匙孔减少了熔池热量积累和熔池的孔隙率。

预应力超声冲击成形数值模拟研究

目的以2024铝合金薄板件为研究对象,结合有限元仿真分析,探讨超声冲击成形过程中预应力对材料残余应力和变形量的影响规律,预测成形结果。方法基于Johnson-Cook本构关系,建立超声冲击处理模型和冲击成形模型,针对无预弯以及预弯半径1000、3000、5000 mm情况,分析不同方向上试件的残余应力和成形量之间的差异性,并进行实验验证。结果经超声冲击处理后,试件表面呈现压应力层,试件中间区域呈现拉应力层,且随着预弯半径的减小,预弯方向上的表层残余压应力层逐渐减小,最大残余应力逐渐增大,中间拉应力逐渐增大,而预弯垂直方向上残余应力的变化规律呈现相反的状态。试件表层的压应力层有利于弯曲变形,中间区域的拉应力层能抑制弯曲变形。在设备偏移方向上试件可以获得更大的变形量,随着预弯半径的减小,预弯方向上的变形量逐渐增大,垂直预弯方向上的变形量逐渐减小。结论通过实验和模拟获得的弧高值的差异性较小,验证了所建立的有限元模型的准确性,通过该方法可以预测试件超声冲击成形结果,为制定合理的工艺参数提供理论基础。

基于ABAQUS的EH36海工钢气电立焊数值模拟研究

为研究EH36海工钢气电立焊过程,以有限元软件ABAQUS为平台,建立了用于计算气电立焊焊接温度场和应力场的有限元模型。采用椭球体热源与高斯面热源的组合热源模型并通过DFLUX子程序实现,通过生死单元技术来控制焊缝的填充加载,通过实测得到EH36钢的热物理性能参数,模拟了气电立焊焊接过程。进行了焊接试验,并通过热电偶测得了焊板典型位置的热循环曲线。结果表明:焊后横向残余应力在立板的中间区域为拉应力,在其余区域为压应力。纵向残余应力在焊缝及其附近区域表现为较大的拉应力,而远离焊缝拉应力迅速衰减并过渡为压应力;计算得到的热循环曲线和焊缝形状与实际基本一致,表明了本文建立的气电立焊焊接模型的准确性。

基于ABAQUS的单丝双面气电立焊数值模拟

基于有限元软件ABAQUS,建立了单丝双面气电立焊焊接温度场和应力场的有限元模型。热源模型选取圆柱体热源与面热源的组合,并采用生死单元技术来进行焊缝的填充加载,采用试验测定的EH40钢高温热物性参数模拟了焊接过程。模拟计算结果表明:焊后试板的横向残余应力在板中间区域为拉应力,在其余区域为压应力;纵向残余应力在焊缝及其附近区域表现为较大的拉应力,而在远离焊缝的位置拉应力迅速衰减并过渡为压应力;通过与试验结果对比,计算得到的热循环曲线及焊缝形状与实际试验吻合度较高,验证了所建立的模型的准确性。该模型可以用于预测气电立焊焊接过程中的温度场、应力场和残余应力分布,为焊接工艺优化和结构设计提供理论依据。

大热输入焊接用EH40船板静态再结晶行为模拟研究

在厚板热轧生产中通过形变奥氏体再结晶行为细化晶粒是提高钢板性能的主要途径,为探究轧制工艺对大热输入焊接用钢EH40静态再结晶的影响规律,以有限元软件ABAQUS为平台,建立了二维的有限元轧制模型;基于静态再结晶动力学模型使用FORTRAN语言完成了VUSDFLD子程序的开发,实现了轧后的静态再结晶百分数的计算,并分析了不同轧制工艺对其静态再结晶百分数的影响。较于微观尺度的晶粒形核及生长、组织演变的模拟计算,这一模型实现了轧制过程中宏观尺度上钢板内部组织演变过程的数值模拟,这对于实际工业生产中相关轧制参数的确定具有非常高的应用价值。

熔化焊热源模型应用进展

数值模拟作为一种高效可靠的技术手段,可分析焊接过程中温度场的分布情况。在数值模拟中,采用热源模型代替焊接热输入,使用热源模型是获取温度场的基础。梳理了现有的热源模型,并进行分类归纳,分析和总结了不同热源模型的特点、局限性及适用焊接场景。结果表明,高斯热源适应于焊接速度小、电弧冲击力小、焊接板材厚度不大的焊接方法;双椭球热源适用于焊接速度大、电弧冲击力大、焊接板材厚度较大的焊接方法;在大型构件的数值模拟中,采用带状分段移动热源可以大幅提升计算效率;针对焊接熔池形状复杂和焊接热输入需分成2部分的情况下,采用组合热源比单一热源得到的模拟结果更准确;对于动态特性明显的焊接过程,动态热源模型相比静态热源模型更具优势。

外加横向磁场的异种钢角焊电弧热输入分配

提出对电弧施加横向磁场的方法,通过偏转电弧改变焊缝两侧电弧热分配,从而提升焊缝成形质量.为了掌握外加横向磁场对电弧热输入分配的影响机制,开展了GTAW电弧热输入分配规律研究;建立了外加横向磁场下的异种钢角焊缝GTAW电弧-熔池耦合瞬态三维模型,对电弧温度场、电磁场、流场开展了耦合计算;对比分析了偏转焊枪与外加横向磁场偏转电弧两种电弧热量分配方式;在上述工作的基础上,研究了外加横向磁场偏转电弧方式磁感应强度对熔透形态和电弧热分配的影响规律.结果表明,偏转焊枪方式在角焊中适应性较差,而外加横向磁场偏转电弧可获得更好的焊接质量.相关研究可为此类异种钢角焊的焊接工艺参数优化提供技术支持.

基于超声辅助的Q235镀锌钢板MIG焊熔滴过渡行为数值模拟

基于流体力学软件FLUENT的VOF模型,建立超声辅助MIG焊熔滴过渡数值模型。模拟了多组不同电流条件下,超声辅助MIG焊接过程中熔滴过渡的过程,分析了超声振动对普通MIG焊熔滴过渡频率的影响。结果表明,超声振动使得熔滴过渡频率增加,熔滴缩颈半径减小,促进了熔滴过渡。为了验证模拟结果的准确性,进行同等参数下的焊接实验,利用高速摄像机对熔滴过渡过程进行图像捕捉。实验结果表明与模拟结果相符,证明了文中熔滴过渡数学模型的准确性。

电脉冲处理对金属材料组织、力学性能影响的研究进展

多能量场辅助材料加工成形是先进制造技术发展的重要方向,其中电脉冲处理(EPT)是一种利用脉冲电流实现材料微观组织调控与力学性能改善的新型处理技术,在辅助金属材料制备和加工等领域有着广阔的应用前景。电脉冲处理具有能量利用率高、作用时间短等优点,在提高材料塑性、促进再结晶和相变等方面具有传统热处理无法比拟的优势。近年来,金属材料组织、力学性能对电脉冲处理的响应行为受到国内外学者的广泛关注。当脉冲电流加载于金属材料时,电场作用下的漂移电子与材料内部组织会发生相互作用,产生焦耳热效应、电迁移效应等电致塑性效应。因此,电脉冲处理能够增强原子扩散、促进位错运动,提高材料塑性变形能力。同时,脉冲电流能够显著促进晶粒细化、固态相变与织构弱化,从而使材料获得优异的综合力学性能。此外,电脉冲处理还可以实现材料内部孔洞和微裂纹的修复,有效抑制裂纹的扩展,从而提高材料的断裂韧性和延长材料的疲劳寿命。本文基于现有研究现状,从晶粒细化、固态相变、裂纹修复等方面,总结分析了电脉冲处理对金属材料微观组织和力学性能的影响规律与作用机制,同时,简要介绍了电脉冲处理改善焊接接头成形特征和性能的相关研究,最后对电脉冲处理技术后续研究进行了展望。

电渣堆焊高铬铸铁界面温度场及组织性能

用电渣堆焊的方法在D32低合金钢表面堆焊高铬铸铁硬面层,测量了堆焊过程中热影响区的温度场,研究了热影响区、复合界面及硬面层的微观组织和力学性能.结果表明,电渣堆焊加热和冷却速度较慢,稳定阶段时低合金钢基材温度分布均匀,在堆焊方向最大温度梯度为-21.25℃/mm;低合金钢基板内最大热应力为53.4 MPa,低于低合金钢的抗拉强度,有效避免了裂纹的产生;复合界面平整清晰,存在宽度约50μm的奥氏体带状区;热影响区晶粒有所长大,为铁素体加珠光体组织;高铬铸铁硬面层由奥氏体、碳化物和少量马氏体组成,M_(7)C_(3)型碳化物细小且均匀分布于奥氏体晶界;复合界面结合强度为96 MPa;试样熔合区的冲击吸收能量(53 J)较硬面层冲击吸收能量(10.7 J)明显提高;亚共晶高铬铸铁硬面层在较大磨损载荷下发生马氏体相变,硬度提高,耐磨粒磨损性能优良.

铝/钢异种金属搅拌摩擦搭接传热与材料流动行为

基于耦合欧拉-拉格朗日有限元法数值模拟了铝合金5052与高强钢DP590搅拌摩擦搭接过程中的温度场演变和材料流动行为。结果表明,有限元预测温度场和焊缝变形轮廓与实验测量结果吻合良好。当移动速度保持300 mm/min恒定不变时,随着转速由500 r/min增至1 000 r/min,搅拌区峰值温度位置由前进侧的轴肩后方的铝合金表面转移至搅拌针底部与钢搅拌区的界面,峰值温度由545℃增加至635℃;在焊接过程中,前进侧温度始终高于后退侧温度,与转速无关。采用示踪粒子法研究材料迁移轨迹,发现前进侧铝合金从更靠近搅拌针的内侧剪切层绕过搅拌针填埋在搅拌针前进侧后方,而后退侧铝合金主要迁移至搅拌针后退侧后方,迁移轨迹比较发散;搅拌针作用在铝/钢搭接面,驱使前进侧钢材料迁移至搅拌针后退侧后方,并在垂直方向上挤入上侧铝合金焊缝区。随着搅拌针转动,由前进侧迁移至后退侧的钢材料最终促使后退侧形成尺寸较大的钩状结构。相比于铝合金侧,转速的增加更为显著地加强了钢表面的材料流动。