金屬焊接仿真的案例
設計仿真 | Simufact Welding焊接工藝-結構一體化仿真分析方案
最后，Digimat中的映射功能可將多種工藝仿真結果（包括焊接、模流、金屬鑄造、沖壓、復合材料RTM、AFP等）以及CT掃描實際結果映射到結構有限元網格上，上述焊接工藝-結構一體化仿真分析工作流程也可以擴展到各類工藝-結構一體化仿真分析流程，從而使產品結構仿真結果更加準確。
金屬材料的焊接性能
金屬材料的焊接性能概念
金屬材料的焊接性是指金屬材料在采用一定的焊接工藝包括焊接方法、焊接材料、焊接規范及焊接結構形式等條件下，獲得優良焊接接頭的能力。一種金屬，如果能用較多普通又簡便的焊接工藝獲得優良的焊接接頭，則認為這種金屬具有良好的焊接性能金屬材料焊接性一般分為工藝焊接性和使用焊接性兩個方面。
工藝焊接性：是指在一定焊接工藝條件下，獲得優良，無缺陷焊接接頭的能力。它不是金屬固有的性質，而是根據某種焊接方法和所采用的具體工藝措施來進行的評定。所以金屬材料的工藝焊接性與焊接過程密切相關。
使用焊接性：是指焊接接頭或整個結構滿足產品技術條件規定的使用性能的程度。使用性能取決于焊接結構的工作條件和設計上提出的技術要求。通常包括力學性能、抗低溫韌性、抗脆斷性能、高溫蠕變、疲勞性能、持久強度、耐蝕性能和耐磨性能等。
展開 鈦金屬的焊接知識
一、 鈦金屬的金屬性能和焊接參數
鈦金屬具有比重小（比重為4.5），強度高，有良好的抗高、低溫性能，在濕氯 氣中有優異的抗裂性和耐腐蝕性。鈦的機械性能和焊接與鈦材料的純度有關，純度越高，性能越好，純度越低，塑性和韌性急劇下降，焊接性能就越差。鈦在300℃以上有很強的活潑性，在高溫下易吸收氫氧氮原子，使材質變脆。鈦在高溫300℃開始吸收氫氣，600℃吸收氧氣，700℃開始吸收氮氣。
氬弧焊機應有高頻引弧，電流衰減，氣體延時保護，脈沖裝置焊絲要求力學性能與母材相當。
保護罩材質應選用紫鋼或鈦材質，形狀以便于保護焊縫，達到焊縫不變色，護罩內應加裝不銹鋼絲網，起到氣體緩沖作用。
二、 鈦焊接的操作技術
焊接前的清理：
材料用滾角機打好坡口，用鋼絲刷打磨兩側25mm以內的氧化皮、油脂、毛刺、灰塵等，再用丙酮或乙醇擦試。
焊接保護：
焊接前先要學會氬氣保護，保護時，一人拿護罩保護上面，另一人拿護罩保護下面，保護者必須與焊接者配合好，焊完后要等到焊縫冷卻后才可以松開保護罩，單面焊接雙面成型特別要注意背面的保護，如果沒有保護好，焊液便無法流動，也就無成型。
展開 異種金屬焊接 Dissimilar Metal Welding
FLOW-3D WELD 應用于異種金屬焊接時，可以觀察下列現象
熔池內的金屬混合情況
熔池的穩定性
孔隙
異種金屬焊接的挑戰
不是所有的金屬都能應用
需要考慮：溶解度、熱膨脹、熔化速率、金屬間化合物、腐蝕性等問題
異種金屬激光焊接示意圖
實驗設定
鋁與銅金屬以搭接接頭 (lap joint) 的方式擺放
激光功率大小：668, 922, 1170W
掃描速度：0.2, 0.27, 0.35m/s
模型驗證
以下列兩個條件進行實驗及數值模擬比對
668W, 0.2m/s
1170W, 0.35m/s
利用 EDS element Mapping 比對銅化合物與數值模擬的結果，呈現相當一致的結果分布。
從數值模型觀察的結果
1. 增加熔池熱通量時，蒸氣反沖壓力與馬蘭戈尼對流增加，銅的擴散加劇
蒸氣反沖壓力造成熔融金屬往上移動
馬蘭戈尼對流造成渦流現象
2. 匙孔的波動會造成金屬混合不均勻
3.
展開 
知識點|異種金屬焊接的經典常識
由于焊接接頭化學成分的不連續，經歷了焊接熱循環后，焊接接頭各個區域出現不同的組織，往往在某些區域出現極其復雜的組織結構。
8.性能的不連續性。
焊接接頭的化學成分和金相組織的差異，帶來了焊接接頭力學性能的不同。沿焊接接頭的各個區域強度、硬度、塑性、韌性、沖擊性能、高溫蠕變、持久性能都有很大差別。這種顯著的不均勻性使得焊接接頭不同區域在相同的條件下，表現出來的行為有很大的差異，出現弱化區域和強化區域，尤其是在高溫的條件下，異種金屬焊接接頭在服役過程中經常出現早期失效。
二、不同焊接方法焊接異種金屬時的特點
大多數焊接方法都可用于異種金屬的焊接，但在選擇焊接方法及制定工藝措施時，仍應考慮異種金屬焊接時的特點。根據母材和焊接接頭不同的要求，熔焊、壓焊及其他焊接方法在異種金屬焊接中都有所應用，但也都各有其優缺點。
1.熔焊
異種金屬焊接中應用較多的是熔焊方法，常用的熔焊方法有焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護電弧焊、電渣焊、等離子弧焊、電子束焊、激光焊等。為了減少稀釋，降低熔合比或控制不同金屬母材的熔化量，通?？蛇x用熱源能量密度較高的電子束焊、激光焊、等離子弧焊等方法。為了減小熔深，可以采取間接電弧、擺動焊絲、帶狀電極、附加不通電焊絲等工藝措施。但無論如何，只要是熔焊，總有部分母材熔入焊縫而引起稀釋，另外，還會形成諸如金屬間化合物、共晶體等。為了減輕這類不利影響，必須控制和縮短金屬在液態或高溫固態下的停留時間。
然而，盡管熔焊方法和工藝措施不斷改進和完善，卻仍然難以解決所有異種金屬焊接時的問題，因為金屬種類繁多，性能要求又多種多樣，接頭形式又各不相同，許多情況下還需要采用壓焊或其他的焊接方法來解決特定的異種金屬接頭的焊接問題。
2.壓焊
大多數壓焊方法都只將被焊金屬加熱至塑性狀態或甚至不加熱，而以施加一定的壓力為基本特征。
展開 影響金屬材料焊接性的因素有哪些？
淺談影響金屬材料焊接性的因素有哪些
影響金屬材料焊接性的因素很多,主要有:金屬材料、結構設計、工藝措施、服役環境等四個方面。焊接性是取決于母材和焊縫金屬的化學成分、焊接結構和焊接接頭的設計、焊接方法、焊接工藝等的一種綜合性能。
材料因素
材料因素是指木材本身和焊接材料;包括材料的化學成分、冶煉軋制裝態、熱處理、組織狀態和力學性能等。
焊接材料如焊條電弧焊時的焊條、埋弧焊時的焊絲和焊劑、起提包弧焊時的焊絲和保護氣體等。在焊接過程中,木材和焊接材料直接參與熔池或熔合區的冶金反應,對焊接性和焊接質量有重要影響。當母材或焊接材料選用不當時,會造成焊縫成分不合格,力學性能和其他性能降低,甚至會出現裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷,也就是焊接工藝性變差,因此必須正確選擇。
在母材方面,以化學成分影響最大。如鋼材只是依靠合金元素來實現固溶強化,一般情況下在焊接過程中最易使焊縫金屬、熱影響區以及母材有良好的相匹配性能。如果鋼材為較復雜的合金系，并通過熱處理、變形加工等方式實現強化，則不易獲得與母材完全匹配的焊縫金屬，甚至整個焊接接頭。對鋼來說，影響焊接性較大的元素有C、P、H、S、O、N等，合金元素中的Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Ti、V、Nb、Cu及B等，都在不同程度有可能增加焊接接頭的淬硬傾向和裂紋敏感性。一般來說，鋼材的焊接性將隨含碳量和合金元素含量的增加而惡化。
在冶煉方法、軋制工藝及熱處理狀態等，也都在不同程度上影響焊接性?，F在的CF鋼（抗裂鋼）、Z向鋼、TMCP鋼（控軋鋼）等，都是通過精煉提純、控制軋制工藝等手段來提高材料的焊接性。
展開 【CAE案例】雙金屬焊接基準數值模擬
01 案例研究背景
工業上眾多的制造和維修業務都涉及到焊接，所以在預測焊接操作所產生的冶金學和力學影響方面有極大的研究價值。
圖1
雙金屬焊接（LBM）是指將有涂層的鐵素體鋼大型構件和EPR管道系統（CPP）中奧氏體不銹鋼管道組合。由于沒有同時適用這兩種材料的焊料，需要一個中間層來增強可焊性，增加焊接強度，減少開裂的概率。
工藝流程包括：倒角的機械加工，中間層焊接，然后進行多道次的連續焊接操作，熱應力消除處理（TTD），最后再次進行機械加工。
圖2
02 研究主旨
MSNS計劃是EDF-CEA-AREVA三方的合作項目。項目通過實驗、建模、數值模擬三個方面來研究焊接，旨在研發一種更簡單，可靠，且不保守的方法，改善現有的標準和模型，使對殘余應力的計算更接近真實情況，提高計算軟件(Code_Aster、SYSWELD、CAST3M）的效率，建立一個良好的案例作為參照。
為此，首先應該更好地了解冷和熱條件下的斷裂機制，然后建立一個能防止出現焊接故障的方法和模型，優化創新的數值計算工具。
本次模擬將采用歐洲ADIMEW項目（評估不同金屬管道焊接老化后的完整性項目）中的雙金屬焊接的基準。ADIMEW的模型參考法國核電站中比較有代表性的V形倒角焊縫，有大量實驗數據支持。
模擬得到的殘余應力曲線將會與合作方的實驗結果相比較。
03 建模
圖3 ADIMEW模型
模擬焊接過程分為三個步驟：
• 計算溫度場
• 在原有溫度場基礎上考慮固液相變
• 計算機械應力場
幾何模型采用2D旋轉對稱模型（圖3），這種簡化方法常用于管件端部焊接。對溫度場計算和機械場計算分別采用了線性網格和二次型網格。
展開 【EDF開源CAE】Code_Aster在雙金屬焊接基準數值模擬的應用
Code_Aster是法國電力集團（EDF）研發的一款開源有限元仿真軟件，適用于固體力學、熱學和聲學等物理現象，具體細分為靜力學、動力學、土-結構相互作用、流固耦合、傳熱學等方面的仿真分析，具備廣闊的應用場景。Code_Aster通過核工業認證，滿足法國核安全局和英國核監管部門要求，在各工業領域尤其是能源電力領域有大量的工程和研發應用案例。
01
研究背景
在英國，大約20%的電力是由改進型氣冷堆提供。截止至2014年大部分反應堆的運行時間已接近其設計壽命30年。為了提高其效益，需要對反應堆的狀況進行評估、分析、檢修，在保證其安全性的情況下，將其使用壽命延長至2024年。
在檢查中發現，反應堆使用的Heysham 蒸汽發生器脊柱中存在結構缺陷。然而由于設計原因，無法對蒸汽發生器進行更換。如果反應堆因此停堆的話，運營公司將會遭受重大損失。
為研究不停堆直接進行維修加固的可能性，需要對運行狀態下（600℃）的蒸汽發生器脊柱維修進數值建模和模擬。
展開 焊絲中所含金屬元素對焊接質量的影響
這些合金元素對焊接性能有何影響，下面分別說明：
硅（Si）
硅是焊絲中最常用的脫氧元素，它可以防止鐵與氧化合，并可在熔池中還原FeO。但是單獨用硅脫氧，生成的SiO2熔點高（約1710℃），且生成物的顆粒小，難以從熔池中浮出，易造成焊縫金屬夾渣。
錳（Mn）
錳的作用與硅相似，但脫氧能力比硅稍差一些。單獨用錳脫氧，生成的MnO密度較大（15．11g／cm3），也不易從溶池中浮出。在焊絲中含錳，除了脫氧作用外，還能和硫化合生成了硫化錳（MnS），并被除去（脫硫），故可降低由硫引起的熱裂紋的傾向。 由于單獨用硅和錳脫氧，都難以除去脫氧的生成物。故目前多采用硅錳聯合脫氧，使生成的SiO2和MnO復合成硅酸鹽（MnO·SiO2）。MnO·SiO2的熔點低（約1270℃）且密度小（約3．6g / cm3），在熔池中能凝聚成大塊熔渣而浮出，達到良好的脫氧效果。錳也是鋼材中的重要合金元素，也是重要的淬透性元素，它對焊縫金屬的韌性有很大影響。當Mn含量＜0．05％時焊縫金屬的韌性很高；當Mn含量＞3％后又很脆；當Mn含量 = 0．6～1．8％時，焊縫金屬有較高的強度和韌性。
展開 EDF開源CAE | Code_Aster在雙金屬焊接基準數值模擬的應用
該軟件包含多種本構關系模型（彈性、彈塑性、彈粘塑性、輻射下的燃料棒和金屬等），能夠處理線性和非線性問題（接觸、摩擦、斷裂力學，地震分析等），同時也可被用于土木工程結構的性能分析，微觀尺度的晶粒計算，幾乎涵蓋了核工業涉及的所有固體力學應用領域。
01
案例研究背景
工業上眾多的制造和維修業務都涉及到焊接，所以在預測焊接操作所產生的冶金學和力學影響方面有極大的研究價值。
圖1
雙金屬焊接（LBM）是指將有涂層的鐵素體鋼大型構件和EPR管道系統（CPP）中奧氏體不銹鋼管道組合。由于沒有同時適用這兩種材料的焊料，需要一個中間層來增強可焊性，增加焊接強度，減少開裂的概率。
工藝流程包括：倒角的機械加工，中間層焊接，然后進行多道次的連續焊接操作，熱應力消除處理（TTD），最后再次進行機械加工。
展開 上傳一個焊接金屬學的課件和試卷
焊接金屬學的課件和試卷，第一次發帖，多多關照
機器人焊接電弧金屬3D打印技術，MX3D融資225萬歐元
這家公司要利用它的WAAM技術（電弧增材制造）以及最新籌集的225萬歐元（約1800萬人民幣）推動新型金屬3D打印系統了！
南極熊獲悉，位于荷蘭阿姆斯特丹的機器人增材制造公司MX3D于2021年4月15日宣布已經從DOEN Participaties（荷蘭可持續發展初創企業中最大出資方）、PDENH（投資基金，專注于為綠色能源轉型、可持續交通和循環經濟做出貢獻的公司）以及荷蘭企業局（RVO）籌集了225萬歐元，啟動機器人金屬增材制造機器M1，并將加快3D打印軟件 MetalXL的開發。
△M1 Metal AM系統內部
M1系統
MX3D的下一步大動作將是推出商業化的M1，這是一個完整的機器人金屬AM平臺，包括用于3D打印金屬零件的焊接機器人、軟件和控制系統。具體來說，M1配備了8軸ABB機械臂以及WAAM裝置、Fronius GMAW / CMT焊接機、MetalXL軟件和MX3D控制系統。公司稱，M1配備的控制系統將實現增強打印控制和傳感器性能，從而實現連續控制和監視、實時反饋、高分辨率數據記錄以及對打印過程的高洞察力。
△M1 Metal AM系統
公司致力完整的機器人金屬3D打印機，使他們能夠打印大型金屬零件。225萬歐元投資中的一部分將用來支持產品的發布和進一步開發。南極熊全球3D打印產品庫https://product.nanjixiong.com/已經收錄了這款產品，歡迎咨詢。
△M1系統
MetalXL
MX3D的軟件和控制系統MetalXL將現有的焊接機器人變成了工業金屬增材制造機器，使用戶能夠一次性管理從設計到制造的整個過程。
展開 科學家實現玻璃與金屬焊接
據英國《每日郵報》近日報道，英國一所大學的科學家們近日公布一項突破性的新成果，研發出一種將玻璃和金屬通過超高速激光系統，焊接在一起的方法。
英國赫瑞瓦特大學的科研人員使用非常短的紅外光脈沖沿接合處將兩種材料融合在一起。研究人員認為，這種新工藝有望改變制造業，在航空航天、國防、光學技術甚至醫療保健領域都將有用武之地。
EPSRC激光生產工藝創新制造中心主任鄧肯?漢德(Duncan Hand)教授說:“傳統意義上來說，由于熱特性不同，因此很難將兩種完全不同的材料焊接在一起。高溫和熱膨脹會首先導致玻璃破碎。”
他表示，將玻璃和金屬焊接在一起將是制造流程和設計靈活性的巨大進步。 目前，涉及玻璃和金屬的設備和產品通常是由粘合劑粘在一起的，使用起來很麻煩，零部件可能會逐漸脫落或移動。此外，揮發也是一個問題——粘合劑中的有機化學物質會逐漸釋放，導致產品壽命縮短。
通過實驗，科研人員將石英、硼硅酸鹽玻璃、藍寶石等多種光學材料均成功焊接到鋁、鈦、不銹鋼等金屬上。紅外光脈沖的持續時間只有幾皮秒(相當于1秒之于3萬年的概念)。科學家將需要焊接的兩種材料緊密接觸，然而，激光通過光學材料聚焦，形成一個非常小且強度很高的光點。這就產生了一個微等離子體(類似于在材料內部形成了一個微小的閃電球)，被一個高度受限的熔體區域所包圍。科學家們在零下50到90度的溫度下對這些焊縫進行了測試，發現它們結合緊密，足夠堅固，能夠應對極端情況。(來源：環球網)
展開 金屬板激光匙孔焊接中鈕扣孔缺陷的熔池分析 | FLOW-3D
Wire Based Laser Metal Deposition (LMD)
基于激光熔覆技術的焊接加工技術
零件是通過使用激光束熔化金屬絲而制成，是一種近凈成形方法
通過優化激光功率、送絲速度和送絲方向，可以實現工藝穩定性
金屬板激光匙孔焊接中鈕扣孔缺陷的熔池分析
Won-ik Cho, Peer Woizeschke, Analysis of molten pool behavior with buttonhole formation in laser keyhole welding of sheet metal, (2019) https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119528.
研究單位：Bremen Institute for Applied Beam Technology
研究動機：提高金屬板生產時的焊縫質量
問題描述：以擺動式激光進行焊接加工過程中，在激光束后方會形成類似鈕扣造型的孔洞，似乎會對熔池的穩定性造成影響。類似孔洞的發生，會影響焊縫的表面質量
研究目標：希望了解該鈕扣型孔洞產生的原因
研究重點：利用FLOW-3D模擬不同條件下鈕扣孔的形成
通過CFD模擬，觀察了送絲和激光束擺動激光焊接中的鈕扣孔現象，得出以下結論：
紐扣孔在加工過程中持續產生
穩定的鈕扣孔會減少熔池的運動
間隙尺寸 – 較大間隙是鈕扣孔形成的關鍵參數
展開 GBT 2656-81 焊縫金屬和焊接接頭的疲勞試驗法
GB 2656-81 焊縫金屬和焊接接頭的疲勞試驗法.pdf<br/><br/><b>附件地址：</b><a href="http://download.caenet.cn/ShowInfoDetail.aspx?ID=5745" target="_blank"><b>http://download.caenet.cn/ShowInfoDetail.aspx?ID=5745</b></a>
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