铸造铝合金的焊接模拟中英文对照外文翻译文献.docx
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铸造铝合金的焊接模拟中英文对照外文翻译文献
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WeldingSimulationofCastAluminiumA356
Abstract
Weldingofcastaluminiumhollowpartsisanewpromisingtechnicaltrendforstructuralassemblies.However,biggapbetweencomponents,weldporosity,largedistortionandriskforhotcrackingneedtobedealtwith.Inthispaper,theMIGweldingofaluminiumA356castsquaretubesisstudied.Thedistortionoftheweldedtubeswaspredictedbynumericalsimulations.Agoodagreementbetweenexperimentalandnumericalresultswasobtained.
Introduction
Aluminiumstructuresbecomemoreandmorepopularinindustriesthankstotheirlightweights,especiallyintheautomotivemanufacturingindustry.Moreover,weldingofcastaluminiumhollowpartsisanewpromisingtechnicaltrendforstructuralassemblies[1-3].However,itmaybeverychallengingduetomanyproblemssuchasbiggapbetweencomponents,weldporosity,largedistortionandriskforhotcracking[4,5].Duetolocalheating,complexthermalstressesoccurduringwelding;residualstressanddistortionresultafterwelding.Inthispaper,thealuminiumA356casttubeMIGweldingisstudied.ThesoftwareSysweld[6]wasusedforweldingsimulations.Theobjectiveistovalidatethecapabilityofthissoftwareinpredictingthedistortionoftheweldedtubesinthepresenceoflargegaps.Inthiswork,theporosityofweldswascheckedafterweldingusingtheX-raytechnique.Theheatsourceparameterswereidentifiedbasedontheweldcross-sectionsandweldingparameters.Full3Dthermalmetallurgicalmechanicalsimulationswereperformed.ThedistortionspredictedbythenumericalsimulationswerecomparedtoexperimentalresultsmeasuredafterweldingbyaCMMmachine.
Experiments
Experimentalsetup
TwosquaretubesaremadeofA356bysandcastingandthenmachined.TheyareassembledbyfourMIGwelds,namedW1toW4.TheirdimensionsandtheweldingconfigurationaredepictedinFigure1.Bothsmall(inner)andlarge(outer)tubesarewellpositionedonafixtureusingv-blocksasshowninFigure2.Thedimensionsofthetubesmakeaperipheralgapof1mmbetweenthem.Thisfixtureisfixedonapositionerthatallowstheweldingprocesstobecarriedoutalwaysinthehorizontalposition.Thelengthofeachweldisof35mm.TheFroniusweldinghead,whichismountedonaMotomanrobot,wasusedfortheMIGweldingprocess.Table1indicatestheparametersoftheweldingprocessforthisweldingconfiguration.
Table1:
MIGweldingparameters.
Voltage
Amperage
Speed
Thick1
Thick2
Gap
(V)
(A)
(m/min.)
(mm)
(mm)
(mm)
23
260
1.25
4
4
1
a)
b)
Figure1:
Tubeweldingconfiguration:
a)cross-sectionview,b)tubedimensions
Figure2:
Experimentalsetupfortubewelding
Testing
TheporosityofweldswasobservedbeforeandafterweldingusingtheX-raytechniquetocheckthequalityoftheseweldsaccordingtothestandardASTME155.ThewholeweldedtubeswerethentestedbytractiononaMTStestingmachine.ThefinaldimensionsoftheweldedtubesaremeasuredonaCMMmachineatmanypointsonthetubes.Thedistortionoftheweldedtubesisdeterminedbycomparingthefinalpositionswiththeinitialpositionsofthetubes.
Numericalanalysis
InSysweld,aweldinganalysisisperformedbasedonaweak-couplingformulationbetweentheheattransferandmechanicalproblems.Onlythethermalhistorywillaffectonthemechanicalproperties,butnotinreversedirection.Therefore,athermalmetallurgicalmechanicalanalysisisdividedintotwosteps.Thefirststepisathermalmetallurgicalanalysis,inwhichtheheattransferredfromtheweldingsourcemakesphasechangesduringtheweldingprocess.Theresultsoftemperatureandphasechangesfromthefirststeparethenusedasinputforthesecondanalysis.Itisapurethermo-elasto-plasticsimulation[6].
Heatsourcemodelidentification
Beforerunningaweldingsimulation,itisnecessarytodeterminetheparametersoftheheatsourcemodel.Thisiscalledheatsourcefitting.Actually,itisathermalsimulationusingthisheatsourcemodelinthesteadystate,whichiscombinedwithanoptimizationtooltoobtaintheparametersoftheheatsource.Figure3presentstheformofa3DconicalheatsourceofwhichtheenergydistributionisdescribedinEq
(1)asfollows:
F=Q0exp(-r²/r0²)
(1)
inwhichQ0denotesthepowerdensity;andr,r0aredefinedby
r²=(x-x0)²+(x-x0-vt)²
(2)
and
r0=re-(re-ri)(ze-z+z0)/(ze-zi)(3)
where(x0,y0,z0)istheoriginofthelocalcoordinatesystemoftheheatsource;reandritheradiusoftheheatsourceatthepositionszeandzi,respectively;vtheweldingspeedandtthetime.
Inthisstudy,ametallographiccross-sectionhasbeenusedtoidentifytheheatsourceparametersasshowninFigure4.Theuseofa3Dconicalheatsourcefitsverywelltheweldcross-section.Themeshsizeinthecross-sectionisaround0.5mmforthiscase.Thefineristhemesh,themoreaccurateistheshapeofthemeltingpool,butthelongeristhesimulation.
Figure3:
3Dconicalheatsource(Sysweld).
a)
b)
Figure4:
(a)Metallographiccross-section,(b)Meltingpoolcross-section.
Analysismodel
ThemeshofthetubeswascreatedinHypermesh7.0.Sysweld2007hasbeenusedassolverandpre/postprocessor.Afull3Dthermalmetallurgicalmechanicalanalysiswithbrickandprismelements.TwoweldingsequenceshavebeendonesuchasW1/W2/W3/W4andW1/W3/W2/W4.Thetubesareclampedusingfourv-blocksduringthewelding,twoforeachtube.Inthesimulations,thepositionswherethetubesareincontactagainstthesurfacesofthev-blocksareconsideredasfixedconditions(i.e.Ux=Uy=Uz=0).Inthereleasephase,thetubesarefreefromthev-blocks.
Results
Thedistortionoftheweldedtubeismeasuredwhenitisreleasedfromtheconstraints.Thedistortionisdeterminedbymeasuringthedisplacementofthesmalltubeonthetopandlateralsurfacesalongthecentrelineofthetube.Thesemeasuresarerelativetothelargetube.Figures5a-bdepictthedistortionpredictedbythenumericalsimulationsofthesequenceW1/W2/W3/W4andW1/W3/2/W4,respectively.GoodagreementsbetweenexperimentalandnumericalresultswereobtainedinthetwoweldingsequencesasindicatedinTables2-3,inboththedistortiontendencyanddistortionrangeoftheprocessvariation.
a)
b)
Figure5:
Tubedistortion(NormU):
(a)SequenceW1/W2/W3/W4,(b)SequenceW1/W3/W2/W4.
Table2:
Distortionresultcomparison(weldingsequenceW1/W2/W3/W4)
Displacements(mm)
Uy
Uz
Experimrntal
From-0.4to-0.59
From-0.35to-0.51
3Dsimulation
-0.4
-0.51
Table3:
Distortionresultcomparison(weldingsequenceW1/W3/W2/W4)
Displacements(mm)
Uy
Uz
Experimrntal
From-0.07to-0.11
From-0.12to-0.21
3Dsimulation
-0.05
-0.26
a)
b)
Figure7:
StateofstressesSxy(a)Clamped,(b)Released.(Red=positive,Blue=negative)
a)
b)
Figure8:
StateofstressesSxz(a)Clamped,(b)Released.(Red=positive,Blue=negative)
Figures6-8showsthestateofthestressesoftheweldedtubesatroomtemperatureforthesequenceW1/W2/W3/W4afterweldingwhenclampledandreleasedfromconstraints(xisthedirectionalongtheaxeoftheweldedtube).Toshowhowtheweldedtubeisdistorted,positive-negativevaluesareusedinsteadofthetruevaluesofstresses.Thedistortionoftheweldedtubecanbeexplainedasthenewequilibriumpositionduetotheresidualstresseswhenthereisnoexternalload.Itisremarkedthatinthepresenceoflargegaps,thedistortionoftheweldedtubeisverylikelyintherotationalmodearoundlocalwelds.
Conclusions
TheMIGweldingisverygoodforassemblingaluminiumcasttubes(hollowparts)inthepresenceoflargegaps.
The3DthermalmetallurgicalmechanicalsimulationofthecasttubeweldingusingSysweldhasbeenvalidated.Averygoodagreementbetweennumericalandexperimentalresultswasobtainedforboththedistortiontendencyanddistortionrange.
Theweldingsequencehasamajorinfluenceonthedistortionoftheweldedstructure.Itturnsoutthattheoptimizationoftheweldingsequencesforareasonabledistortionofaweldedstructurewithalargenumberofweldsbecomesveryimportant.
译文
铸造A356铝合金的焊接模拟
摘要:
空心铝铸造件的焊接是一个很有前途的新结构组件技术的趋势。
然而,组件之间的差距较大,焊接孔隙度,大变形和热裂需要处理的风险。
在这篇文章中,对铸造A356铝合金的方管的MIG焊接进行了研究。
并对焊接管弯曲变形进行了数值模拟预测。
实验结果和数值模拟结果的相似度很高。
1前言:
由于铝合金结构自身的重量轻,所以它变得越来越流行,尤其是在汽车制造业。
此外,空心铝铸造件的焊接是一种新的有前途的结构组件技术的趋势[1-3]。
但是它可能有很大的挑战,由于大的差距,例如组件之间,焊接孔隙度,大变形和热裂的危险等很多问题[4,5]。
由于局部加热,复杂的热应力发生在焊接中;焊后会出现残余应力和变形的结果。
在这篇文章中,关于铸造A356铝合金的方管的MIG焊接进行了研究。
Sysweld软件[6]被用于焊接模拟。
其目的是验证这个软件在大差距的焊接管扭曲变形的预测中的能力。
在这项工作中,在焊接后利用X射线技术来检查焊缝的孔隙率。
在热源参数的基础上,确定了焊缝截面和焊接参数。
冶金力学的3D热量模拟已经被使用。
用数值模拟所预测出来的扭曲值与焊后用CCM机器所测量的实验结果进行了比较。
2实验:
2.1实验方案
两个成直角的管子是用A356通过砂型铸造然后在加工形成的。
他们是由四个管MIG焊接组装而成,命名为W1至W4。
他们的尺寸和焊接配置描绘如图1.不论小还是大的管子都很好的定位在一个采用V形块的夹具上,如图2所示。
管子的规模使它们之间产生了一个1毫米厚的不主要的缝隙。
这个夹具固定在一个定位上,使焊接过程中总是保持水平位置。
每个焊缝的长度是35毫米。
被安装在Motoman机器人上的Fronius焊头是用于MIG焊过程中的。
表1表明了这个焊接结构的焊接工艺参数。
表1:
MIG焊接参数
电压
电流
速度
厚板1
厚板2
缝隙
(V)
(A)
(m/min.)
(mm)
(mm)
(mm)
23
260
1.25
4
4
1
a)
b)
图1:
钢管焊接配置:
a)截面图b)钢管尺寸
图2:
管焊接实验装置
2.2测试
焊接前后利用X射线技术观察焊缝气孔,按ASTME155标准检查这些焊缝质量。
然后整个焊接管子通过一个MTS试验机上的牵引来测试。
焊接管最终的尺寸被定位在管子上的多个点的CMM机器所测量。
扭曲的焊接管的最终位置与初始位置的管子进行比较。
3数值分析
在Sysweld软件中,焊接分析是基于热传导和力学问题之间的微弱链接而制定的。
只有热学经历在相同方向上才将影响力学性能。
因此,热学冶金力学分析分为两个步骤。
第一步是一种热学冶金分析,其中在焊接过程的相变过程中从焊接电源的热量被转移。
第一步温度和相变的结果将作为第二次的分析。
它是一个纯热弹塑性模拟[6]。
4热源模型的鉴定
焊接模拟运行之前,有必要确定热源模型的参数。
这就是所谓的热源配件。
实际上,它是一种热模拟中的稳定状态,在这种稳定状态中用一种优化工具来获得的热量来源的参数。
图3给出了一个三维锥形热源形式,它的能量分布在方程中描述:
举例如下:
F=Q0exp(-r²/r0²)
(1)
其中Q0表示功率密度;r,r0被定义为:
r²=(x-x0)²+(x-x0-vt)²
(2)
和
r0=re-(re-ri)(ze-z+z0)/(ze-zi)(3)
其中(x0,y0,z0)是局部坐标系原点热源,re和ri在位置ze和zi,分别为半径热源;v为焊接速度,t为时间。
在
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