【摘 要】
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大功率激光焊接具有深宽比大、变形小等优点,在中厚板连接中具备广泛的应用空间。但是快速热循环下熔化与凝固的不平衡,产生较大残余应力,影响焊接件的力学性能。因此,结合中厚板万瓦级激光焊接实验,建立宏观热弹塑性有限元和接头细观组织的模型,研究了焊接温度分布、应力分布以及凝固过程,对改善焊接工艺参数和提高力学性能具有重要参考意义。本论文的主要工作内容如下:建立中厚板万瓦级激光穿透焊接宏细观模型。根据楔形焊
【基金项目】
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国家自然科学基金青年科学基金项目,5190051502,“微观多相协调机制下超大功率激光焊接应力不均匀行为及多重调控”； 国家自然科学基金基础科学中心项目,52188102,“机器人化智能制造”； 中核武汉应用基础基金项目,“核电厂水环境局部干法焊接热输入补偿方案研究”；
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大功率激光焊接具有深宽比大、变形小等优点,在中厚板连接中具备广泛的应用空间。但是快速热循环下熔化与凝固的不平衡,产生较大残余应力,影响焊接件的力学性能。因此,结合中厚板万瓦级激光焊接实验,建立宏观热弹塑性有限元和接头细观组织的模型,研究了焊接温度分布、应力分布以及凝固过程,对改善焊接工艺参数和提高力学性能具有重要参考意义。本论文的主要工作内容如下:建立中厚板万瓦级激光穿透焊接宏细观模型。根据楔形焊缝形貌,建立由双椭球和热流峰值线性递增柱状热源组成的复合热源模型;结合Von Mises屈服准则,构建宏观热弹塑性有限元模型,分析焊接温度场和应力场;以瞬态温度为输入边界,建立基于Voronoi图的接头细观组织模型,模拟焊缝晶粒结构及凝固过程;考虑宏观模型焊缝及附近区域的细观组织分布,构建焊接件疲劳寿命预测方法。开展了10 mm厚316L不锈钢万瓦级激光穿透焊接验证实验,探究激光功率和焊接速度对焊缝形貌和残余应力的影响。结果显示,当板材未被熔透时,随着焊接速度的减小焊缝上熔宽和焊缝深度分别从4.58 mm、7.64 mm增大到4.91 mm、8.23mm;当板材完全熔透时,焊接件下表面形成均匀分布的根瘤;焊接完成后,焊缝区域为拉应力状态,远离焊缝区域则逐渐变为压应力。基于复合热源模型计算的焊缝轮廓与实验相比最大误差为8.2%;焊接件冷却后,纵向残余应力随着远离焊缝逐渐减小,在焊缝区域较大为295 MPa;横向残余应力则在焊缝处较小为-89 MPa,在靠近焊缝区域变大;残余应力的分布与实验结果基本一致;焊缝凝固过程中,焊缝底部柱状晶优先开始生长,且生长方向趋向于温度相对更高的焊缝中心;考虑焊接区域的细观组织结构,试样疲劳寿命的预测与实验结果最大误差为17.61%,验证了宏细观模型的有效性。
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