铝合金焊件的几何形状对焊接变形及残余应力的影响
随着轨道车辆的高速化发展，对车体材料的要求越来越高。铝合金具有耐蚀性好、比强度高、拉伸性能好等特点，在轨道车辆车体上的应用得到世界各国的认可。由于铝合金的热导率大、热膨胀系数大等特点，焊接时极易产生焊接热裂纹，给轨道车辆生产带来了一定的困难。因此，分析铝合金焊件几何形状与焊接变形、残余应力应变的关系，对以减小焊接变形和残余应力为目的的高质量轨道车辆铝合金焊件结构设计的选择上具有一定的指导作用。 本文在ABAQUS平台上，以5052铝合金管状焊件和板状焊件作为模拟对象，热-弹-塑性有限元数值分析理论为基础，考虑材料的热物理性能非线性和几何非线性，建立三维有限元模型。采用充分考虑温度场和应力变形场双向耦合作用的直接耦合法，考察焊接速度为10mm/s、11mm/s和热源功率为1540w、1820w下焊件焊后温度场、塑性应变场分布变化，得出基于直接耦合法探究的焊接工艺参数对铝合金焊件焊接影响的相关结论。在此基础上，选择热源功率为1820w和焊接速度为10mm/s，以直接耦合法展开对板状焊件和管状焊件的温度场、应力场和焊接变形的考察，分析不同几何形状焊件的焊接热输入和焊接热损失的平衡状态，就温度场和拘束度双方面作用对比不同几何形状的铝合金焊件的焊接变形量和残余应力的大小。通过以上相关的模拟，实现铝合金焊件不同几何形状对焊接变形和残余应力影响的研究探索。 根据模拟研究得出:焊接速度在一定范围内的改变对铝合金板状焊件纵向残余应力的分布影响较小，而对横向残余应力分布影响较大，最大应力改变幅度为3MPa，改变量占比31％。热源功率在一定范围的改变使得焊接残余应力差异性在横向分布上表现明显，而在纵向分布上表现不明显，横向残余应力最大改变幅度为21MPa，改变量占比181％。同时焊件几何形状的不同，主要引起焊接时温度场和拘束度双方面的不同而产生对焊接变形和残余应力的影响。一方面几何形状的不同导致焊件的拘束度不一样，影响焊接时的塑性变形，进而影响残余应力。另一方面几何形状对焊件和外界的热交换的影响也较大，温度最大改变幅度在形成稳定熔池阶段，为191℃，最大改变占比在冷却阶段，为122％。相应的影响焊件在高温阶段时长，温度场的不同，影响焊件的材料性能，这样屈服强度处于低值的时间不等，因而发生最大塑性变形量也不一致，松弛了焊件整体内应力的量也不等，所以会影响焊后残余应力。模拟的两焊件最大变形量相差1.35mm，最大改变占比为540％。双方面影响的大小还得视具体的形状改变量来判定。
铝合金焊件;几何形状;焊接变形;残余应力
重庆交通大学
硕士
车辆工程
李军
2018
中文
TG457.14
83
2018-08-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）