最新刊期
      2024 年 第 54 卷 8 期

        焊接虚拟仿真

      • 郑文健,冯道臣,李仁厚,杨建国
        2024, 54(8): 1-7. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.01
        摘要：基于数值模拟方法精确预测大型复杂焊接结构制造过程的变形一直是焊接工程领域的难点。而具备数化—虚拟模型，互动—虚拟现实信息交互，先觉—现实数据背后隐藏知识，先知—精确预测四大特征的数字孪生技术，具备更高维度处理焊接工程问题的能力，且其范畴涵盖数值模拟方法，因而可在超大型复杂焊接结构变形控制中予以借鉴。文中以四代核电关键结构堆顶固定屏蔽结构为研究对象，制定基于数字孪生的技术路线。通过焊接制造试验及数值模拟等方法研究相关结构焊接变形量及规律，实现数字孪生四大特征，最终达到定量预测实际堆顶固定屏蔽结构的焊接变形的目的，为其结构设计优化及焊接变形控制措施提供理论及试验基础。结果表明，堆顶固定屏蔽实际结构制造的实际焊接变形与数字孪生技术预测结果达到毫米级定量吻合，证明数字孪生技术可降低基于数值模拟方法预测超大型焊接结构变形的不确定性，进一步提升变形预测精度。  
        关键词：数字孪生;大尺寸核电结构;数值模拟;焊接变形   
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        发布时间：2024-08-27
      • 梁国栋,董彬,秦国梁
        2024, 54(8): 8-19. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.02
        摘要：激光焊接技术作为一种先进焊接技术已被广泛应用在高端制造业中，但匙孔和熔池复杂的热力行为很大程度上决定了接头质量。因此，研究揭示激光-匙孔-熔池之间热力耦合行为规律及其对焊接质量的影响，对激光焊接工艺开发及其应用推广具有重要意义，但其很难用试验的方法进行研究。数值模拟以其成本低、效率高等优势，已被广泛应用于焊接过程多物理场行为等焊接基础理论研究，目前，激光焊接多物理场研究中已开发了不同尺度的数值模拟方法。基于国内外研究成果的归纳分析，归结总结了激光焊接在原子尺度、微观尺度、宏观尺度以及多尺度耦合数值模拟中采用的主要方法及取得的主要进展，根据激光焊接过程多尺度数值模拟发展现状，展望了其未来发展趋势。  
        关键词：激光焊接;多尺度;匙孔;熔池;数值模拟   
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      • 刘新,史清宇,路宝坤,闵爱武,乔俊楠,杨诚乐,陈高强
        2024, 54(8): 20-28. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.03
        摘要：本构方程是搅拌摩擦焊过程热-力-流全耦合仿真模型的重要部分。针对6 mm铝合金6061-T6板材FSW过程开展热-力-流全耦合仿真分析。为分析本构方程的形式对仿真效果的影响，在模型中分别采用Chen-Liu本构模型、Sellars-Tegart模型和Johnson-Cook模型，并对仿真结果进行对比分析。仿真结果表明，Chen-Liu模型计算得到的FSW温度场及流动场与实验结果的吻合程度均高于Sellars-Tegart模型和Johnson-Cook模型。究其原因，在搅拌头-工件界面附近的温度条件下，Sellars-Tegart模型和Johnson-Cook模型预测的流变应力较高，使得材料流动困难，搅拌头与工件之间的界面状态主要为滑动摩擦。相比之下，Chen-Liu模型能够体现材料在温度升高时的迅速软化现象，在搅拌头-工件界面附近的温度条件下，材料的剪切流变应力低于搅拌头/工件界面的摩擦应力，因而在摩擦作用下工件发生塑性流动，这降低了搅拌头/工件之间的滑动摩擦速度，从而使得滑动摩擦产热减少，且其减少量大于工件发生塑性流动产生的额外热量，从而使得采用Chen-Liu模型预测得到的焊接温度更低。综合来看，FSW过程温度场与材料流动速度场受材料本构模型影响归因于FSW的热-力-流全耦合效应。  
        关键词：搅拌摩擦焊;数值仿真;本构模型;温度场;材料流动   
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      • 余占兴,陈政硕,姬新淇,金晨,宋崎
        2024, 54(8): 29-35. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.04
        摘要：搅拌针大扎入下板是搅拌摩擦搭接焊（FSLW）常见的工艺方法，但向上弯曲的钩状缺陷会减小接头的有效搭接厚度，不利于获得高承载的接头。为实现钩状缺陷向下弯曲，设计了X形正反螺纹搅拌针并进行搅拌摩擦搭接焊过程材料流动行为的数值模拟，进而研究材料流动与接头成形间的关系。结果表明，在X形正反螺纹搅拌针作用下，焊接过程中焊核区下部与上部的材料分别向上与向下流动，在焊核区中间交汇后向沿水平方向流动；当材料交汇形成的材料集聚区位于原始搭接界面上方时，既可实现钩状缺陷的向下弯曲又可获得大宽度的焊核。在转速为800 rpm且焊速为300 mm/min时，2024-T4铝合金搭接焊接头的拉伸强度达到299.6 MPa，其大于已报道的2000系列铝合金接头强度值。  
        关键词：搅拌摩擦搭接焊;X形正反螺纹搅拌针;数值模拟;材料流动;接头成形   
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        发布时间：2024-08-27
      • 宋奎晶,韦勇,张铭雨,王婷婷,王静雨,钟志宏
        2024, 54(8): 36-44. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.05
        摘要：为研究扩散焊工艺参数对Fe/W界面原子扩散行为的影响，建立了Fe（100）/W（100）界面结构模型。采用分子动力学（MD）方法模拟了1 123~1 323 K下Fe/W界面处原子扩散，观察具体扩散情况并计算扩散系数。结果表明：Fe/W界面呈现明显的非对称扩散现象，主要为W原子向Fe原子中扩散，且模拟时间越长该现象越明显。径向分布函数（RDF）说明Fe侧原子整体排列有序度高于W侧。根据原子均方位移（MSD）曲线拟合得出原子扩散系数和扩散激活能，在1 123~1 323 K温度下，Fe、W原子在Fe/W界面的扩散激活能分别为1.326 eV和0.841 56 eV，W原子在Fe 晶格中扩散势能低于Fe原子在W晶格中扩散势能，更容易突破能垒发生扩散。扩散温度和压力升高可有效提升界面扩散层厚度。一定程度上提高界面粗糙度有利于界面扩散层厚度增长，但粗糙度过大也会影响界面焊合。扩散系数基础数据可为实际工业生产中低活化钢与面向第一壁材料钨的扩散连接界面组织调控提供理论依据。  
        关键词：Fe/W;原子扩散;分子动力学;扩散激活能;扩散层厚度   
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      • 任森栋,陈浩,沈毅豪,杨建国
        2024, 54(8): 45-50. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.06
        摘要：文中提出了一种新型的同轴单边电阻点焊技术用于连接Al5052和碳纤维增强复合材料（CFRP）。基于内部有限元代码JWRIAN-RSW对同轴单边电阻点焊的“电-热-力”耦合过程进行数值建模，预测焊接热循环与温度分布并进行了实验验证。采用十字拉伸实验评价了接头的力学性能，分析了焊接参数对连接强度、失效行为和界面特征的影响。讨论了同轴单边电阻点焊熔化区尺寸的生长过程与机理。结果表明，实验测得的焊接热循环与数值预测结果吻合较好，证明了所开发的数值模型的有效性；焊接接头呈现出两种断裂模式：焊接电流较小时，连接强度较弱，接头沿Al5052-CFRP界面失效，呈现出脆性断裂的特征，最大载荷约为170 N，焊接电流较大时，局部失效发生在CFRP基体，接头呈现出韧性断裂特征，力学性能大幅提升，载荷峰值提升至1 335 N。此外，Al5052-CFRP同轴单边电阻点焊的熔化区在冷却阶段初期仍会持续增长。因此，对同轴单边电阻点焊的数值建模必须考虑到冷却阶段，通过峰值温度分布来预测熔化区的尺寸。  
        关键词：CFRP;同轴单边电阻点焊;数值仿真;温度场;焊接参数   
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      • 郦羽,侯家怡,顾立君,李良碧,万正权
        2024, 54(8): 51-64. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.07
        摘要：在船用Ti80钛合金厚板的多层多道焊接中，材料经历了多次热-力循环的作用，焊接接头需要考虑材料在循环载荷作用下的热塑性变形行为，而不同的塑性本构模型所表达的材料力学特性存在明显差别，因此材料塑性模型对焊接残余应力的模拟计算有着直接影响。文中通过对Ti80钛合金材料在不同温度（20~900 ℃）的拉伸试验以及不同温度（20~800 ℃）的低周疲劳试验，获得了Ti80钛合金材料的理想弹塑性模型、各向同性硬化模型、随动硬化模型和混合硬化模型的材料参数。采用不同硬化模型对Ti80焊接接头焊接残余应力进行模拟计算，并采用X射线测量残余应力，将获得的残余应力结果进行对比，分析不同硬化模型对焊接残余应力的影响。结果表明，理想塑性模型低估了残余应力的大小，各向同性硬化模型略微高估了熔池及其附近的残余应力大小，随动硬化模型与混合硬化模型残余应力计算值较为接近，前者略小，后者可较精确预测残余应力。从工程应用的角度来看，推荐各向同性应变硬化模型，该模型在残余应力预报的数值最大，使用该模型可以获得相对保守的预测值。  
        关键词：硬化模型;Ti80钛合金;焊接残余应力;焊接工艺;有限元计算   
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      • 于帮龙,王苹,刘永,宋晓国,方洪渊
        2024, 54(8): 65-71. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.08
        摘要：焊接结构服役安全与寿命一直备受关注，在断裂力学的基础上建立的Master S-N曲线适用于不同接头形式的焊接钢结构抗疲劳设计。文中基于网格不敏感性的结构应力法对正交异性桥面板、T型接头、平板和管板焊接结构进行了疲劳性能评估。在疲劳评估的过程中，量化分析了焊接变形、焊缝尺寸、焊后残余应力等因素对复杂焊接结构的影响，并分别以角变形、平均应力为修正系数对疲劳数据进行修正。结果表明，正交异性桥面板结构、考虑角变形后的T形接头、考虑残余应力影响的平板和管板结构的疲劳数据均处于Master S-N曲线的两倍误差带以内，证实Master S-N曲线是焊接结构抗疲劳设计的首选曲线。  
        关键词：焊接钢结构;疲劳评估;Master S-N曲线;补焊;残余应力   
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      • 程圣,刘正勇,熊俊,王天石,陈帅
        2024, 54(8): 71-77. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.09
        摘要：采用熔化极气体保护电弧（Gas metal arc，GMA）作为热源，以H08Mn2Si焊丝作为填充材料，开展了多层单道薄壁构件堆积层尺寸特征研究。借助金相显微镜测量了堆积层尺寸，分析了堆积层尺寸特性并阐明其成形机制。结果表明，堆积层尺寸在前四层处于不稳定状态，波动较大。随堆积层数的增加，堆积层层高逐渐减小并趋于稳定，堆积层层宽先减小，随后逐渐增大并趋于稳定，层宽在第二个堆积层具有极小值。进一步设计了二次回归旋转组合试验方法，采集的试验数据作为训练样本，基于神经网络算法建立了堆积工艺参数（堆积电流、行走速度、堆积电压）与堆积层尺寸的非线性模型，经测试数据样本验证表明，模型预测精度较高，堆积层尺寸预测最大相对误差小于6.98%。根据堆积层尺寸预测模型，进行了封闭路径与非封闭路径薄壁构件的堆积成形，试验结果表明，该模型能够应用于薄壁构件GMA增材制造自适应分层切片过程。  
        关键词：增材制造;GMAW;薄壁构件;尺寸特性   
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      • 韩放,王勇,杨晶,朱晓庆,王瀚,张植航,杨来山,董志波
        2024, 54(8): 79-83. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.10
        摘要：材料焊接热裂倾向评判在产品制造中具有重要作用，以往热裂倾向判据并未考虑晶界效应，故其适用性一直是讨论的热点问题。文中以Al-Cu合金为例，通过多晶凝固定量相场模型获取熔池凝固过程枝晶形貌，提取凝固路径。基于凝固路径开展了目前常用热裂倾向判据的适用性研究，包含RDG判据、Clyne-Davies判据和Sindo Kou判据。研究发现，RDG判据同实际焊接热裂倾向一致，且裂纹产生主要受孤立晶界段枝晶间压力降主导；Clyne-Davies判据及Sindo Kou判据评判由于计算过程忽略部分孤立晶界区间段，导致评判结果出现失真。通过对三个判据的研究，为材料热裂倾向评判提供了参考。  
        关键词：热裂倾向;凝固路径;相场模型;晶界效应   
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      • 武庆龙,李英哲,毕元波,郭璟,罗震
        2024, 54(8): 83-89. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.11
        摘要：利用Abaqus软件建立了厚度为4 mm的5052铝合金电阻斜坡对接焊过程的有限元模型，在相同参数下设计了工艺试验。分析了在不同的焊接工艺参数下，电阻斜坡对接焊的熔核形成过程与焊接过程的电场、温度场的关系，并通过对比金相试样与有限元模型运算结果验证了模型的准确性。结果表明：电阻斜坡对接焊的熔核为沿接触面生长的椭球形，工件厚度对熔核的生长方向起到了一定的导向作用，同时由于铝合金材料属性与焊接结构的不同，在焊接初期在下电极轴心处形成了一片电流集中区域。同时讨论了电流的最小压降原理在斜坡对接中的作用机理，为进一步研究电阻偏心点焊焊接过程积累基础科学数据。  
        关键词：斜坡对接焊;5052铝合金;熔核生长;有限元模拟   
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      • 刘韶庆,王皓宇,钱宏亮,陈志皓,刘钇洲,王苹
        2024, 54(8): 90-95. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.12
        摘要：基于ABAQUS和FRANC3D联合仿真方法分析了铝合金双面焊对接接头中内部缺陷在疲劳荷载作用下的裂纹扩展行为。对比接头全模型中不同裂纹深度a下裂纹尖端应力强度因子K及疲劳寿命N，验证了对称模型的准确性，进而基于对称模型分析了不同形状比（深度a/长度2c）下初始缺陷的疲劳扩展规律。结果表明：当椭圆形缺陷的深度a不变而长度2c逐渐增大时，初始应力强度也随之增加，试件的疲劳寿命显著降低，当长轴长度增加3倍时，疲劳寿命降低了50%；随着裂纹的扩展，a/c的比值逐渐趋近于1，即形状趋近于圆形。  
        关键词：内部缺陷;仿真;形状比;裂纹扩展;疲劳寿命   
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      • 何亮,贺智涛,张蕾,程彬,马晓阳,丁鹏龙
        2024, 54(8): 96-101. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.13
        摘要：针对船用钢焊接接头性能薄弱易发生疲劳断裂的问题，分别采用超声冲击、焊趾熔修和焊趾熔修+超声冲击复合处理等三种方法对船用高强钢焊接接头进行强化，对不同工艺强化后接头的残余应力、应力集中系数和疲劳性能进行了对比试验研究。结果表明：（1）超声冲击处理可有效降低接头残余应力，在表面形成有益的压应力，而焊趾熔修对接头残余应力无改善作用，甚至会使残余应力略增大；（2）三种处理工艺均可降低焊趾处应力集中程度，焊趾熔修处理可显著降低焊趾应力集中系数；（3）三种处理工艺均可改善接头低周疲劳性能，超声冲击处理后接头疲劳寿命提高幅度为58%，焊趾熔修处理后疲劳寿命提高幅度为249%，焊趾熔修+超声冲击复合处理后疲劳寿命提高幅度为460%。焊趾熔修+超声冲击复合处理工艺兼顾了焊趾熔修处理和超声冲击处理的优点，既可显著降低焊趾应力集中程度又可获得有益的残余压应力，可应用于船舶焊接结构关键部位的强化。  
        关键词：超声冲击;焊趾熔修;残余应力;疲劳性能;焊接接头   
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      • 李明,纪涵,唐敏,朱时洋
        2024, 54(8): 102-107. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.14
        摘要：环肋圆柱壳结构抗压能力强，组焊过程方便。但焊接通常带有残余应力与变形，对该类结构的承载能力造成不利影响。本文采用有限元仿真方法，对钛合金环肋圆柱壳结构进行了纵缝焊接—环缝焊接—肋骨焊接—外压承载的全流程模拟。研究发现，焊接完成后焊后等效米塞斯应力接近材料屈服强度，对于大型结构而言，总变形相对较小，最大为17.23 mm。在承载压力从0加载到20 MPa的过程中，结构的变形呈现近似线性变化，结构均能够很好地承受载荷，但随着压力持续增大，应力水平随之升高，结构开始出现非线性的变形趋势。在无焊接缺陷存在的情况下，残余应力的存在对结构的承载影响不显著。研究结果为后续该类型结构的承载水平提供一定的技术参考。  
        关键词：钛合金;环肋圆柱壳;焊接应力与变形;承载能力;有限元仿真   
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      • 刘聪月,卜明哲,张杰,牛盛源,柳一鸣,韩彬
        2024, 54(8): 108-117. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.15
        摘要：长输管道经过的地势多山区丘陵，管道敷设及焊接过程有时需在5°~45°坡度情况下进行。大坡度山区管道常出现因过大的拉应力导致失效的现象，因此其应力分布成为必要的研究课题。文中就坡度为25°的X70钢全自动焊外根焊工艺下山区管道焊接接头应力分布规律进行研究。基于TMM理论，根据实际焊接接头建立大坡度山区管道焊接接头有限元模型，将实际热源模型及施工环境作为边界条件，独特将焊接接头分为上下坡口，最终得到其应力分布规律，填补了大坡度山区管道焊接接头应力分布研究的空白。通过盲孔法及矫顽力法对管道内外表面应力水平进行测量，验证应力模拟结果准确性。通过模拟与实际测量得到结论，由于重力及支持力的作用，焊接接头受到沿管道轴向的应力，导致大坡度山区管道焊接接头应力分布与无坡度管道不同。其根焊层上坡口粗晶区平均宽度较下坡口宽27 μm，热焊层上坡口粗晶区平均宽度较下坡口宽21 μm。根焊层上坡口拉应力较下坡口高135 MPa，高拉应力区较下坡口宽1.6 mm。  
        关键词：管道全自动焊接;数值模拟;上下坡口;应力分布   
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      • 高天,赵朋成,燕国帅,王自强,景水秀,赵振辉,刘君
        2024, 54(8): 118-127. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.16
        摘要：薄板的激光焊接对离焦量敏感，很小的离焦量偏差就会导致熔池不稳定。本文采用数值模拟的方法，研究了离焦量对0.6 mm厚430铁素体不锈钢薄板激光焊熔池动态行为的影响，分析了形成焊道背面飞溅的原因。结果表明，在目前所用的焊接工艺参数条件下，离焦量决定着激光热输入在熔池中的位置和分布。熔池中匙孔的深度随着离焦量的降低而增大，负离焦（-0.1 mm）形成穿透的匙孔，零离焦（0 mm）和正离焦（+0.1 mm）形成的匙孔尺寸较小。不同离焦量均形成具有束腰结构的熔透熔池，熔池表面和匙孔表面的流速最大。熔池高度方向上存在由中间束腰部位向上下表面流动的两个涡流，液体金属在熔池上表面由熔池后方向前方流动。匙孔中的蒸发作用力和表面的高流速使匙孔不断闭合，在底部形成封闭的气泡。背面飞溅只在负离焦条件下形成，零离焦和正离焦不产生背面飞溅。负离焦条件下，熔透熔池形成的初期在焊道背面形成小颗粒的滴落型飞溅，主要是由熔池重力和表面流动导致；在穿透匙孔形成的末期因为气泡破裂形成大颗粒的喷射型飞溅。正离焦条件下熔池的形态、流动较为稳定，预测的焊道横断面轮廓与实验结果吻合良好。  
        关键词：激光焊接;铁素体不锈钢;离焦量;熔池动态;背面飞溅   
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        发布时间：2024-08-27
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