论文部分内容阅读
焊接是一个包含传质、传热、冶金、力学的复杂过程,焊接参数多,如激光功率、焊接速度、离焦量等,这些参数无疑对焊接过程的稳定性和接头的质量起到了决定性的作用。汽车车身覆盖件的薄钢板由于厚度薄,自身拘束度小,焊接时变形较大,而单纯的理论研究很难解决生产中的实际问题,大量的试验则增加了很多成本。因此,本课题采用数值模拟技术,建立激光焊接的数学模型,通过计算薄板激光拼焊的焊接温度场、应变、应力场,对薄板结构的焊接变形和应力进行预测；改善焊接工艺,减少焊接应力和变形,对提高结构的承载能力,解决薄板焊接过程,特别是搞清楚薄板对接构件的焊接温度场、热应力、热变形、焊后残余应力和变形等的演化规律,为将其应用于生产实践,实现焊接工艺的自动化打下坚实的基础,具有很重要的理论和现实意义。首先,本文通过非线性有限元软件MSC.Marc对激光拼焊的薄板建立了有限元模型,确定了材料随温度变化的热物理性能参数,设定了有限元数值模拟的边界条件。由于激光焊接过程中的“匙孔”效应和表面熔池效应,使得激光焊接的熔池呈“钉头”状,而单种热源模型无法对其准确描述,为了能准确模拟“钉头”热源,本文采用了由高斯面热源和体热源合成的组合热源来模拟激光热源,并利用MSC.Marc中的二次开发功能对组合热源中的体热源运用FORTRAN语言编写了子程序,再通过调节面热源和体热源的分配系数,使得调好的组合热源呈“钉头”状,并能与激光焊接热源很好地吻合。接下来,本文主要对不同的激光功率和不同的焊接速度下的薄板激光拼焊进行了有限元数值模拟分析。(1)设定焊接速度为30mm/s,将激光功率设为1400W、1600W、1800W、2000W,再分别进行数值模拟,得出板厚方向最大变形量分别为0.076mm.0.0844mm、0.1018mm、0.1242mm,最大等效残余应力分别为381.5MPa、384MPa、387.3MPa、390.7MPa。通过对结果进行分析,得出焊接激光功率与焊接变形和残余应力呈正相关。(2)设定激光功率为2000W,将焊接速度设为20mm/s、30mm/s、40mm/s、50mm/s,通过数值模拟,得出板厚方向最大变形量分别为0.1262mm、0.1242mm、0.1227mm、0.1215mm,最大等效残余应力分别为392.5MPa、390.7MPa、388.9NPa、387.7MPa。通过对结果进行分析,得出焊接速度与焊接变形和残余应力呈负相关。相比焊接速度,激光功率的变化对焊后的变形与残余应力影响要更显著。最后,本文分析了预拉伸法对焊接变形和应力的影响。通过在平板两端施加材料屈服强度0.2倍、0.5倍、0.8倍的预拉伸应力,再进行激光拼焊的数值模拟。通过对模拟结果进行分析,得出的结论如下：(1)当预拉伸应力为材料屈服强度的0.2倍、0.5倍、0.8倍时,最大变形分别为-0.1116mm、0.1426mm、0.3201mm,最大变形处的变形形式由下凹逐渐变为上翘。这说明此时预拉伸应力已成为焊后变形的主要影响因素,对焊接变形影响是显著的。(2)随着预拉伸应力由0增加到0.2倍、0.5倍、0.8倍的材料屈服强度时,焊后平板的纵向残余应力也由389MPa依次减小到328.3MPa、236.3MPa、132.7MPa,纵向残余应力分别减小了15.60%、39.25%、65.89%,横向残余应力依次减少了6.21%、18.44%、36.59%,等效残余应力也依次减小6.15%、18.05%、35.59%。说明施加预拉伸应力可以有效地影响焊接变形和控制焊后残余应力,尤其对纵向残余应力的控制,效果更为明显。本文通过数值模拟的方法对不同焊接参数下以及不同预拉伸应力下的薄板激光拼焊进行分析,可以为焊接实践提供一定的预测、指导和依据,具有很大的实际意义。