[发明专利]钢铝过渡接头T型双侧间隔焊接过程数值模拟计算方法

说明书

一种钢铝过渡接头T型双侧间隔焊接过程数值模拟计算方法，属于焊接数值模拟领域。步骤包括：建立钢铝过渡接头焊接过程的三维或二维热力耦合计算模型；设置焊接模型的初始条件和边界条；确定T型接头带焊接角度的热源方程修正方法；建立T型双侧间隔焊接热源子程序；任务提交求解，并进行后处理和分析。优点在于，能够实现同时三维或二维T型接头双侧间隔焊接过程中的温度场及应力场的数值模拟计算。通过建立实际钢铝过渡接头的几何结构，并修正设置带角度的双侧间隔焊接热源模型，能够预测不同焊接线能量以及双侧间隔焊接时间对钢铝界面最高温度的影响，指导实际的焊接工艺参数和双侧焊接操作的时间间隔的选择。

技术领域

本发明属于焊接数值模拟技术领域，特别是涉及一种钢铝过渡接头T型双侧间隔焊接过程数值模拟计算方法，能够实现二维和三维T型接头双侧间隔焊接过程的温度场数值模拟计算。

背景技术

在船舶和汽车行业，为了实现节能减排，部分结构部件开始采用铝合金材料代替钢材料，降低船体或者汽车的质量、提高速度。由于钢和铝的熔点、材料性能差异较大，对钢结构和铝结构进行直接焊接(异种材料焊接)的难度较大，且容易失效。因此，目前主要采用钢铝过渡接头分别连接钢结构和铝结构。钢铝过渡接头是由钢板、纯铝和铝合金板爆炸复合而成，其爆炸成型的力学性能主要取决于复合界面强度性能。钢铝过渡接头在与钢结构和铝结构的焊接连接过程中，焊接工艺会影响钢铝过渡接头的质量，不恰当的焊接工艺参数会导致钢铝过渡接头的界面开裂，严重影响船舶的质量，造成成本上升。其主要原因是焊接工艺参数不合理，造成复合界面温度超过规定温度(350℃)，在界面析出硬脆的金属间化合物，致使复合界面的性能开始下降。由于焊接过程界面温度对钢铝过渡接头质量的影响较大，需要对焊接过程的整体温度分布尤其是钢铝界面的温度进行控制。由于船用钢铝过渡接头宽度较小(常见的16mm-24mm)，通过热电偶对钢铝界面进行在线测温调控参数，存在不好安装以及温度测量精准性等问题。

随着计算机辅助技术和各种模拟软件的发展，焊接数值模拟已经研究出了很多较成熟的热源模型，并针对不同的焊接方式进行模型方案优化，能够实现焊接过程温度场、流体场等的预测。但是针对钢铝过渡接头与钢结构和铝合金结构间的焊接过程模拟，仍然存在如下问题：第一，目前大部分的焊接热源模型是针对平板焊接，而针对T型焊接的热源模型较少，缺少针对焊接热源角度的修正，需要对热源模型进行优化；第二，T型焊接接头需要进行双侧焊接，而由于钢铝界面对温度的敏感性，对钢铝过渡接头双侧焊接需要间隔一定时间进行，而目前的热源模型通常是针对单条焊缝，仅少部分模型设计双侧同时焊接；第三，在模型尺寸较大、细分网格数量多时，三维计算时间较长。实际上，焊接达到稳定以后，熔池形状固定，截面温度变化一致，也可以使用二维焊接截面模型进行计算分析，能够大大的缩短计算时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢铝过渡接头T型双侧间隔焊接过程数值模拟计算方法，解决了钢铝过渡接头T型双侧间隔焊接过程中钢铝界面温度预测问题。

本发明能够实现同时三维或二维T型接头双侧间隔焊接过程中的温度场及应力场的数值模拟计算。针对船用钢铝过渡接头与钢板焊接过程中，钢铝界面温度容易超过限制温度350℃，而导致界面性能下降而开裂失效的问题。利用本数值模拟计算方法，通过建立实际钢铝过渡接头的几何结构，并修正设置带角度的双侧间隔焊接热源模型，能够预测不同焊接线能量以及双侧间隔焊接时间对钢铝界面最高温度的影响，指导实际的焊接工艺参数和双侧焊接操作的时间间隔的选择。具体步骤如下：

第一步：建立钢铝过渡接头焊接过程的三维(或二维)热力耦合计算模型

在通用有限元软件中建立三维部件(或二维截面)的整体几何模型，包括钢铝过渡接头、焊缝、已焊接的铝板和待焊接的钢板等多部件，并将不同部件分别进行合并或接触设置，装配构成整体几何模型；然后设置钢、纯铝和铝合金材料随温度变化的热物性参数，并将材料属性分别赋予相应结构部位；最后对整体部件进行网格划分，三维模型采用六面体单元网格(二维截面模型则采用四面体单元网格)，并细分靠近焊缝位置的网格。