铝合金搭接接头焊接工艺设计

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图5.1 不同时刻的温度场云图

可见，随着热源沿着焊缝的移动，搭接接头上各节点温度随时间不停地发生变化，由于焊接加热是瞬态温度，所以在开始时刻，温度较低，且不太稳定。随着焊接继续进行，温度逐渐趋于稳定，形成准稳态温度场，此时温度场内等温线呈椭圆形分布。根据高速移动焊接热源特有的准稳态及热饱和现象，可以判定之前时间增量步的设置和网格的划分达到了精度要求，故温度场的模拟是比较准确的。

图（a）至图（c）表示焊接加热过程。图（a）表示焊接即将开始时的温度分布，很明显可以看出，此时搭接接头各个部位的温度一致，都为环境温度20℃；图（b）表示焊接进行到第10s时的温度分布，可以看出，热源直接作用的部位温度达到最高，高温从焊缝热源中心向周围成梯度椭圆状扩散，周围区域的温度逐渐升高，离焊缝越近，温度越高；图（c）表示加热过程刚刚结束时的温度分布，从图中可以看出，此时代表最高温度的红色区域温度已经达到701℃，同时，起点位置由于最先接受热源的作用，此时温度已明显降低。

图（d）至图（g）表示焊后冷却过程；图（d）表示焊后5s时的温度云图，焊缝区温度持续下降，热量从焊缝区向周围扩散，边缘区温度上升；图（e）表示焊后100s时的温度云图，从此时起，温度分布状态趋于稳定，但整个焊件的温度仍在持续降低；图（f）、图（g）分别表示焊后220s和焊后500s时的温度云图，对比图（c）、（d）、（e）可以得出，焊后短时间内，温度下降很快，随着时间的增加，温度下降越来越缓慢。从焊后220s开始，整个焊件的温度变化非常之小，缓慢接近20℃。直到分析步结束，即焊后500s时，焊件已经完全冷却，整个焊接的温度已达到环境温度。

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2016届机械设计制造及其自动化专业论文

图5.2 热源中心线上各点温度变化曲线

在热源中心线上依次取包括起始点和终点在内的共5个节点进行分析，分布绘出他们在整个焊接过程的温度变化曲线，如图5.2所示。

从图中可以看出，在热源中心线上各节点温度随时间变化情况基本一致，当热源靠近时，节点温度升高，热源离开后短时间内温度急剧下降，最终缓慢趋于环境温度。所不同的是，起点的峰值温度较低，终点的峰值温度较高，因为终点出受热时间较长，达到的峰值温度比起点更高。

在经过焊接终点，垂直于焊缝的一条线上，依次选5个节点进行分析，分布绘出他们在整个焊接过程的温度变化曲线，如图5.3所示。

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图5.3 垂直焊缝的线上各点温度变化曲线

从图中可以看出，各点峰值差异较大，离热源越近，峰值温度越高；离热源越远，峰值温度越低，并且达到峰值温度的时间延后，因为热量传递需要时间。但是，各点温度变化遵循同样的规律，当热源临近时，温度上升，然后很快又降低，最后缓慢趋于环境温度。

5.2 应力应变场计算结果分析

5.2.1 应力场计算结果及分析

焊接过程中应力场分布如图5.4所示。

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(a)加热10s时的应力场云图

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