本科科研训练报告

题   目：铝合金焊接

学生姓名：韩红生

学生学号： 201020401049

学   院：材料学院 

班   级：材10-3

指导教师：贾瑞灵

     

            20##年11  月 29 日

1、选题背景和意义

1.1 选题背景和目的

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。

1.2 国内外相关研究现状、发展趋势及研究意义

[1]高速列车底架用铝合金焊接接头疲劳裂纹扩展特性

我国正在进行高速列车材料和制造工艺的研究,列车车体底架是列车运行时的主要承载部件之一。高速列车提速后对底架结构承载能力提出了更高的要求,其中疲劳失效是主要的问题。本文通过有限元模拟与试验分析相结合的方法,研究了高速列车底架用A7N01铝合金在MIG焊接工艺下的焊接残余应力状态及其对疲劳裂纹扩展性能的影响,并研究了焊接接头各区不同的组织结构对疲劳裂纹扩展的影响等。为了准确模拟出高速列车底架结构的焊接残余应力,本文首先基于有限元技术研究了材料热物理-力学参量对焊接残余应力峰值的影响。得到了如下规律:随着热导率的降低与比热容、密度、热膨胀系数及弹性模量的增大,焊件中纵向残余应力峰值升高;随着热导率的降低与密度及弹性模量的增大,纵向残余应力峰值形状从双峰特征过渡到单峰特征。对于大多数的铝合金材料来说,对焊接残余应力峰值变化量影响较大的参量有屈服强度和热导率,而比热容、弹性模量、热膨胀系数及密度的影响略小,泊松比的影响可以忽略。在动态工作载荷作用下,底架结构的焊接残余应力将发生一定程度的松弛。采用动态应变法研究了A7N01铝合金平板焊件中的焊接残余应力在工作载荷下的松弛行为。实验结果表明:动态与静态工作载荷下,焊接残余应力发生松弛的条件都是残余应力与工作应力叠加后要达到接头材料的瞬时屈服强度。焊接残余应力松弛与载荷峰值有关,载荷峰值越大,残余应力松弛越多。对于循环硬化或循环中性的材料而言,焊接残余应力松弛与载荷循环次数无关,焊接残余应力松弛只发生在第一个循环内。这是由于应力松弛后,焊接残余应力水平降低,同时其屈服强度不会随着循环次数增加而降低,因此焊接残余应力与循环工作应力峰值之和不会再次超过瞬时屈服强度。而对于循环软化的材料来说,焊接残余应力与循环工作应力峰值之和不断超过软化后的瞬时屈服强度,那么随着循环次数的增加焊接残余应力不断发生松弛。针对接头软化特性对纵向焊接残余应力松弛的影响进行了有限元分析,模拟结果表明:若接头发生软化,那么接头处的纵向残余应力不仅发生释放,还可能从拉应力转化成压应力,接头全面屈服后焊缝处会产生残余压应力;若接头不发生软化,接头处的纵向残余应力发生释放,但不会从拉应力转化成压应力,接头全面屈服后残余应力消除。鉴于母材及焊丝铝合金的屈服应力在250℃以下发生应变硬化行为,在250℃以上发生应变软化行为,通过对有限元软件进行有效处理,在数值模拟中成功实现了不同硬化模型下屈服应力随温度及塑性应变的变化。模拟结果表明使用混合硬化模型下的真实屈服应力模型计算的结果比理想弹塑性屈服应力模型计算结果准确。对列车车体底架进行模拟发现,牵引梁的孔内、牵引梁中孔附近焊缝、缓冲梁翼面补强板焊缝、缓冲梁与横梁连接处焊缝为残余应力较高、工作应力波动较大的危险部位,获得了这些部位的应力水平及有效应力比。采用数值模拟方法从力学角度对A7N01铝合金焊接接头中较大尺寸及不同形状的硬质第二相粒子对疲劳裂纹扩展的影响研究发现:较硬的第二相粒子对疲劳裂纹扩展产生双重的作用,即促进作用和抑制作用。位于裂纹尖端塑性区内的第二相粒子提高了塑性区内的应力水平,进而提高了裂纹尖端的最大应力强度因子,促进疲劳裂纹的扩展。第二相粒子对疲劳裂纹产生一定地抑制作用主要表现在以下几个方面:首先,第二相粒子使得疲劳裂纹扩展路径发生改变,提高了裂纹表面的粗糙度,粒子越大,产生的粗糙度也越大,增加了裂纹尖端的闭合效应;其次,第二相粒子与基体不协调变形,裂纹绕过粒子后,卸载过程中在裂纹尖端后方的“加塞”作用,增加了裂纹尖端的闭合效应;另外,疲劳裂纹扩展时穿过的第二相粒子尖角处基体的塑性变形也比无第二相粒子时的基体的塑性变形大,这也增加了塑性变形引起的闭合效应。裂纹闭合效应导致了裂纹扩展的有效应力强度因子范围的降低,从而在一定程度上抑制疲劳裂纹的扩展。通过有限元法研究了疲劳裂纹尖端的焊接残余应力在塑性条件的演变,提出使用有效裂纹长度尖端的焊接残余应力与工作应力来计算Kmax*及ΔKeff*的方法,并提出了适合描述焊接残余应力作用下的疲劳裂纹扩展速率曲线的表达式,该公式具有较好的归一化效果。

铝合金薄壁结构搅拌摩擦焊热—力学过程的研究及模拟

     搅拌摩擦焊是一项先进的固相焊接技术,在航空航天等精密制造领域有广阔的应用前景。但目前该方法在热及力学过程方面的研究并不完善,严重影响了人们科学和准确地认识和应用这项先进技术。基于此,本文深入研究搅拌头和被焊材料的相互作用,建立了计算焊接生热功率的生热方程,理清了热载荷和搅拌头机械载荷对接头残余应力和变形的影响,实现了工程结构焊后残余应力和变形的高效预测。本研究具有基础研究和生产指导两方面的重要意义。设计和开展不同工艺参数条件下的铝合金搅拌摩擦焊试验,通过测量搅拌头扭矩和焊接温度场的变化,系统分析了转速、焊速和下压力对搅拌摩擦焊生热功率的影响规律,发现搅拌摩擦焊能始终保持固相过程的根本原因在于其生热和温度具有反馈平衡作用。以搅拌摩擦焊中的功热转换为基础,结合工艺参数对生热功率的影响规律,建立了能体现固相焊接过程并能全面反映转速、下压力和焊速影响的生热方程,实现了直接依据工艺条件计算焊接热输入量、预测焊接温度场、预测焊接所需主轴扭矩等目标。针对铝合金薄板在搅拌摩擦焊后残余应力和变形与电弧焊结果显著不同的现象,利用数值模拟工具深入探索搅拌头机械载荷对被焊结构瞬态应力应变的影响规律和机制。发现搅拌头下压力具有增加搅拌区材料受力状态中的静水压力成分、增大试板下表面和垫板之间的摩擦力、使搅拌区内靠近试板上表面的材料产生面内附加膨胀等作用,是铝合金薄板搅拌摩擦焊后残余变形与电弧焊结果相反的根本原因,同时对残余应力和变形的减小也有贡献,而搅拌头扭矩主要导致焊接残余应力产生不对称的分布特征,对残余变形影响较小。根据搅拌头与被焊材料之间相互作用的研究结果,建立了合理的搅拌摩擦焊应力和变形数值分析模型,为提高残余应力和变形数值预测的效率,开发了以温度为控制变量、并且温度载荷分段添加的温度函数法。对于大型薄壁结构件的焊接残余应力和变形,温度函数法计算结果与移动热源法计算结果的差别在15%以内,但计算时间可以减少到移动热源法的10%以内。利用温度函数法实现了铝合金薄壁结构搅拌摩擦焊残余变形的高效预测。

镁铝异种金属激光胶接焊工艺及微观组织研究

镁合金和铝合金是目前工业生产中应用最为广泛的两种轻金属。镁合金和铝合金的连接问题一直受到国内外学者的广泛关注,实现二者之间的良好连接将极大地推进这两种轻金属在更广阔领域内的应用。本文从镁铝异种金属熔化焊接技术存在的问题入手,率先采用将激光焊接与胶接相复合的激光胶接焊技术,初步实现了镁铝异种金属的良好连接。激光胶接焊技术将冶金连接与机械连接有机复合,充分利用激光焊接与胶接的各自优势,使激光胶接焊试件在一定的范围内具有更高的连接性能。在此基础上本论文主要针对镁铝异质金属激光胶接焊工艺、焊接接头内部组织、元素分布以及晶体结构等方面开展了如下研究：1.本文以AZ31B镁合金和6061铝合金为研究对象,对镁铝异种金属激光焊接和激光胶接焊工艺开展研究。首次采用激光胶接焊实现了上述镁铝异种金属的良好连接。在本实验条件下,铝合金上激光焊接模式为热导焊模式时,熔池内部形成相对较少的金属间化合物；而在铝合金上为小孔焊接模式时,激光焊接接头和激光胶接焊接头内部都形成了大量的金属间化合物,严重影响了焊接接头性能,因此应采用热导焊模式下的参数进行镁铝异种金属的激光焊接及激光胶接焊。在最佳参数下得到的激光胶接焊(焊缝涂胶)试件具有比单独激光焊接试件更加优良的拉伸和剥离性能,因而胶粘剂的加入将会对镁铝异种金属熔池组织结构产生有益的影响。2.本文针对热导焊条件下激光胶接焊组织进行全面分析发现,在铝合金熔深小于0.3mm时,由于此时激光功率较小,焊缝中的胶粘剂不能完全分解并逸出熔池,进而在熔池底部形成胶粘剂的少量残留,对接头性能产生了不良影响；当铝合金上熔深为0.5mm时,此时在镁铝异质界面形成了相对较少的金属间化合物获得了具有最佳性能的焊接接头；当铝合金上熔深大于0.8mm,熔池底部形成了相对较多的金属间化合物,故性能略有降低。3.通过与镁铝异种金属激光焊接接头比较分析发现：在激光胶接焊中,胶粘剂的加入改变了铝合金的表面状态,提高了铝合金激光吸收率,在相同的焊接参数下增加了铝合金的焊接熔深。通过对比激光焊接接头和激光胶接焊接头中的金属间化合物种类和分布特点发现：在激光焊接接头中在熔池底部形成了连续分布的带状金属间化合物,因为熔池底部最先凝固,受到后凝固金属的收缩应力作用,金属间化合物之间的界面极易形成裂纹,因而降低了接头的性能。在镁铝异种金属激光胶接焊接头中,胶粘剂的加入改变了镁铝异种金属在熔池中分布的特点,使其主要处在镁铝异质熔池中间区域,金属间化合物厚度略有减薄,在熔池中主要以金属间化合物Mg17Al12和非常薄的Mg2Al3形式存在,这样则减小了镁铝异种金属间化合物的不良影响,在一定程度上提高了焊接接头的性能。4.通过对镁铝异种金属激光焊接接头和激光胶接焊接头内部裂纹的比较分析发现：由于激光胶接焊中的金属间化合物分布相对分散、成分相对简单,部分区域的金属间化合物厚度也小于激光焊接接头,进而减少了熔池内部形成裂纹的趋势。通过对镁合金和铝合金熔池温度的测量发现,激光胶接焊内部镁合金熔池与铝合金熔池温度差小于激光焊接镁合金熔池与铝合金熔池的温度差,在镁铝异种金属激光胶接焊镁铝异质熔池界面区域由于温度差异引起的热应力也会小于激光焊接熔池,因而镁铝异种金属激光胶接焊接头具有相对更小的裂纹形成趋势。5.使用透射电镜对镁铝异种金属激光胶接焊接头熔池内部晶体结构进行分析,通过对金属间化合物的透射电镜形貌和晶体结构分析发现,Mg17Al12具有与镁合金晶体更加接近的结构,因而能够与熔化的镁合金相互混合形成相对稳定的共晶类组织,而Mg2Al3具有与铝合金更加接近的晶体结构,所以在本实验中Mg2Al3的出现在一定程度上会降低焊接接头的性能。通过对铝合金熔池的晶体结构特征进行分析发现,晶粒上出现了大量的位错滑移现象,这主要是受到激光焊接产生的金属蒸汽的反冲作用以及上层后凝固金属收缩压力作用在熔池底部形成的,这也证明了熔池底部存在着比较明显的冲击应力。因此在镁铝异种金属激光焊接接头中,在熔池底部形成的金属间化合物,更容易出现裂纹。

铝、镁轻合金焊接性研究及焊丝挤压装置设计

有色金属材料占全世界金属材料5%左右,处于补充地位,但是有色金属的作用是钢铁或其他材料无法代替的,尤其是铝、镁轻合金,在制造和工程建设中应用十分广泛,已从原来的航空航天部门逐渐扩展到电子、通信、汽车、交通运输和轻工业领域等。其结构件的焊接问题也变得日益突出,受到越来越多的关注。本文首先研究分析了有色轻合金中最具有代表性的铝、镁合金的焊接性,重点讨论了焊接方法、焊接结构及工艺参数对焊接性的影响。针对镁、铝合金各自的特性,分别进行了两组焊接性试验,一组是采用进口AZ61焊丝和AZ31镁合金切料作为填充材料,分别对AZ31镁合金进行TIG焊平板对焊;另一组则是采用进口5183焊丝和5083铝合金切料作为填充金属,分别对5083铝合金进行TIG平板对焊。在焊接试验的基础上,利用金相分析、扫描电镜分析、拉伸性能试验等现代分析测试方法,对两组焊接接头的微观组织特征及性能进行了测试和分析。针对镁合金焊接容易出现的焊缝合金成分变化的问题,分别采用AZ31、AZ91焊丝对AZ31镁板材,以及采用AZ61、AZ91焊丝对AZ61镁板材进行了焊接试验,分析了焊丝化学成分和焊缝熔池反应对镁合金焊接接头组织性能的影响。最后探讨了混合稀土和微量元素对镁合金焊接接头的影响和作用。试验结果及分析表明,由于镁、铝合金的物理特性,采用电弧熔化焊方法所获得的焊缝,其组织和性能不仅与母材的化学成分有关,更与所有的焊接材料的化学成分有关。鉴于目前镁、铝合金尤其是镁合金焊接材料的品种十分有限,而传统的焊丝生产设备又存在着投入大、成本高、不便于试验室开发应用等缺点,本文研究设计了一套便于实验室开发应用的镁、铝合金焊丝热挤压装置。该装置包括动力系统(电动机)、传动系统(曲柄滑块机构)、挤压执行系统(挤压装置)等。论文重点研究分析了挤压装置的核心部分即挤压模和挤压筒设计,深入进行了挤压工艺参数包括锭坯尺寸、挤压比、挤压温度、挤压速度、挤压润滑、出丝长度、单位挤压力的计算和选择。该装置即适合进行热挤压变形方面的基础研究,也适合于作为新型焊丝开发设备。

A7N01铝合金焊接接头疲劳强度优化设计

我国高速轨道列车制造技术发展迅速,已经逐步跨入国际先进行列。南车集团目前已经开始开发时速350km/h以上的轨道列车制造技术。车体底架采用A7N01铝合金焊接结构,是列车运行时的主要承载部件。A7N01铝合金是日本为高速列车开发的用于车体承载底架的高强铝合金材料,具有优良的综合性能。目前国产的A7N01铝合金车体结构服役性能不够稳定,表现为承载底架在动载荷作用下焊接接头部位短期内出现疲劳裂纹,从而对整个结构的安全可靠性造成较大影响。通过深入分析,认为应力集中是底架结构短期疲劳失效的最关键的影响因素,为此本论文确定了将降低焊接接头应力集中作为有效提高其疲劳强度的研究思路和主要措施,采用的方案是:通过有限元数值模拟技术计算多种典型A7N01铝合金焊接接头的应力集中情况,并分析各种几何参数对接头应力集中的影响,形成接头疲劳强度优化设计方案;再通过一系列试验对优化设计方案进行验证,最终为提高铝合金高速列车焊接构件疲劳性能提供合理的优化措施及其理论支撑。主要的工作和研究成果包括:对A7N01铝合金车体承载底架的三种典型对接接头的应力集中情况进行了理论分析计算。通过改变焊趾过渡角等焊缝几何参数对接头承载时的应力分布规律进行了深入分析计算,总结出应力集中系数与焊缝几何形状的对应关系规律,最终形成A7N01铝合金焊接接头疲劳强度优化设计方案。另外,通过理论计算证实三点弯曲法消除焊接试件的角变形可以减少附加应力的影响,并在应力集中部位引入残余压应力,从而对疲劳寿命的提高有很大贡献。对不同坡口形式的焊接接头进行了力学性能试验和疲劳性能分析研究。结果表明A7N01铝合金不对称单边V形坡口接头的疲劳寿命最低,主要断裂于焊趾位置。疲劳性能低下的原因是应力集中、角变形导致的附加应力和焊接缺陷。分别通过TIG熔修焊缝整形和焊趾铣削圆弧的方法实施改变接头形状参数的优化方案,对采用不同优化方法的接头进行系统疲劳性能测试。通过比较证实,手工TIG堆焊熔修不易控制焊趾角度,很难获得理想的接头形状以降低应力集中,整形后反而使疲劳寿命较之与原始状态有明显降低;机械加工获取焊趾圆滑过渡的方法可以精确控制焊趾处的圆弧半径尺寸.

铝合金超声-TIG焊接工艺及超声作用效果研究

TIG焊是应用最为广泛的铝合金焊接方法,可以实现高品质焊接,得到优良的焊缝成形,但是单道熔深浅、焊接效率低。超声-TIG焊接方法可以有效弥补普通TIG焊的不足,可以引起电弧收缩,能量集中,进而提高焊接效率。为了发掘此方法在铝合金焊接中的优势,本文针对铝合金焊接的特点对超声复合焊接系统进行改进,对焊接工艺进行了深入的研究,并分析其对焊缝组织性能以及缺陷的影响。首先针对铝合金焊接,对超声发生系统的变幅杆、冷却机构及钨极连接方式进行了改进,从而使超声复合焊接系统满足铝合金直流及交流焊接的要求,改进后的系统具备良好的稳定性及实用性。试验研究了直流氦弧铝合金焊接工艺。首先分析了不同电弧长度、发射端高度对焊缝深宽比的影响,实验结果显示当电弧长度与发射端高度匹配良好时,与普通TIG焊相比,U-TIG焊可以明显增加焊缝的深宽比,从而实现了在较小的焊接规范下实现熔透。其次对焊缝微观组织进行了分析,结果表明U-TIG焊焊缝区晶粒更细小,超声具有将粗大的柱状晶转变为细小的带状或等轴晶的作用,而且使焊缝成分分布更加均匀。进行了交流氩弧铝合金焊接工艺的研究。在平板堆焊试验中,发现随着焊接电流、电弧长度的改变,超声的作用效果也随之改变。采用匹配良好的工艺参数进行了2219铝合金板的对接试验,结果证明了超声-TIG焊可以在更小的规范下实现单面焊双面成形。相同工艺下,超声-TIG焊缝中心出现较大区域的等轴晶,焊缝熔合区宽度减小,热影响区、焊缝区成分分布也更加均匀。通过对比分析焊接裂纹,发现超声-TIG焊可以有效地防止焊接裂纹的产生。针对焊接气孔,发现当采用中等弧长及较小焊接电流时,超声-TIG有助于减少焊缝中的气孔。力学性能测试显示,超声-TIG焊接接头抗拉强度高于普通TIG焊。初步探讨了超声-TIG电弧收缩的原因,并提出了两种作用机制:声流力及流体冷却压缩机制。根据实验结果,阐述了超声对焊缝中气孔的不同作用,初步分析了熔池中的声流力对焊缝中气孔的影响。

基于DSP控制的铝合金脉冲焊接电源及电弧形态研究

     熔化极脉冲氩弧焊具有低的热输入量、生产率高、易实现自动化的特点,比较适合铝合金的焊接。铝合金的脉冲MIG焊不仅扩大了焊接电流范围,而且使电弧稳定性提高,可以适应多种焊接场合。近年来,铝合金的P-MIG焊接工艺在工业化生产过程中已经得到了广泛的运用。但是由于铝的独特性能,在焊接应用中依然存在着一些问题,脉冲焊接工艺复杂,控制方式也比较复杂,如何有效地控制各类电信号,得到一个合适的脉冲波形是目前来说研究的一个问题之一。本文采用DSP控制技术设计了铝合金P-MIG全数字控制系统,获得了一致性好的脉冲电流波形和稳定的焊接过程。不同的基值电流、峰值电流、峰值时间等参数还可以手动调节,对于脉冲电流波形控制,实现了对脉冲上升斜率和下降斜率的独立调节。焊接电弧的特性对焊缝的力学性能、微观组织、几何形态以及组织都有着重要影响。对于脉冲焊接来说工艺参数很多,工艺参数之间相互影响,对电弧的影响又不一样,而且铝合金对工参数的变化比起钢来说更为敏感,所以对工艺参数的合理选择至关重要。在众多脉冲参数中,峰值电流、基值电流和峰值时间是铝合金P-MIG焊接过程中极其重要的参数。针对这一问题,本文通过对铝镁合金进行P-MIG焊接,调节不同的脉冲参数,主要研究了在相同平均电流、平均电压工作条件下,不同峰值电流、基值电流、峰值时间对电弧形态的影响规律。通过高速摄影采集系统进行采集,可以比较完整地拍摄到清晰电弧形态和电弧变化过程。结果表明,电弧长度、电弧宽度和电弧光亮区面积随着峰值电流增加而增加,基值电流是维持电弧燃烧的参数,峰值时间对电弧弧长没有影响,却显著影响电弧面积。随着电源输出波形控制技术日益成熟,本研究通过调节脉冲上升和下降斜率,改变电流的输出波形,从而研究了脉冲波形的变化对电弧形态和电弧挺度的影响。脉冲斜率变化导致脉冲时间过程中脉冲能量的变化,脉冲能量的变化影响着电弧形态的变化。同时通过调节脉冲上升和下降斜率,实现脉冲焊接电弧挺度硬软规范的调节。采用软规范焊接时电弧燃烧面积大,熔深熔宽较大,而硬规范焊接电弧比较集中,但是熔深熔宽较小

高速列车铝合金材料焊接热裂纹倾向研究

铝合金制品具有质轻、美观和耐蚀性好等特点,已成为高速列车车体的首选材料。国产铝合金高速动车焊接结构在焊接制造加工中,热裂倾向大,尤其是在熔化焊工艺中,热输入量大,热裂问题非常突出。本文通过一系列试验和数值模拟计算,研制了专用试验装置,对高速列车A6N01S铝合金材料的焊接热裂纹倾向性形成和机理进行了深入研究。通过对热裂纹断口横截面扫描电镜观察、纵向载面能谱分析、高温热模拟试验下的断口观察,证实A6N01S铝合金焊接热裂纹形成的微观机制是:在焊缝中心冷却后期的液态薄膜和焊接升温过程中热影响区内第二相Mg2Si组分液化形成的液态薄膜,在较小的外加应力作用较快的加载速度下,发生晶界分离导致开裂。在相同外界的应力拘束条件下,不同材料的热裂纹敏感性决定因素是其高温的塑性储备。根据焊接热裂纹的产生的冶金机理和力学条件,设计了专用快速测试材料热裂纹倾向性的装置,通过试验测试,证明研制的焊接热裂纹倾向测试装置具有简便、快速、高精度、定量等一系列优点,可以定量检测出母材、焊丝与母材匹配的热裂倾向,具有很好的通用性和实用性。通过数值模拟中温度场分析与试验温度场的测量进行比较,验证了两者的一致性,并确定了试验装置在试验中的相关参数。在已知热裂倾向的材料试验中,验证了装置测试的准确性。利用研制的热裂纹倾向试验装置,对日本产Jk、国产K4、N7、M3四种A6N01S铝合金材料焊接热裂纹倾向性进行了检测和评定,结果表明日本材料Jk的裂纹总长度及最大裂纹长度在四种材料中处于较低水平,且裂纹总长度随变形速率变化不明显,是四种材料中热裂纹倾向最低的材料;利用自行研制的专用装置进行了系列裂纹倾向检测试验,在不同试验速度区间内,形成了选材的标准。

 铝合金焊接应力变形数值模拟研究及应用

本文以863课题航天筒体结构的焊接数值模拟研究为背景,采用数值模拟与实验相结合的研究路线,开展了焊接数值模拟精确建模研究以及高效计算研究,并对实际生产中应用的航天筒体结构焊接变形进行了实验测量与数值模拟。在数值模拟基础上进行了航天筒体结构焊接工艺优化,提出了减小航天筒体结构焊后沿母线下凹变形的工艺措施,并得到了实验结果的正确验证。焊接数值模拟精确建模研究包括精确材料模型的建立,以及夹具拘束作用模型的建立。通过热力学模拟实验,系统研究了焊接热循环温度历史对两种有代表性的铝合金材料屈服强度的影响,建立了材料性能依赖于温度及温度历史的材料模型,提高了焊接数值模拟的计算精度。在夹具拘束作用模型中,将夹具和垫板作为弹塑性体包含在焊接数值模拟几何模型中,并将其与被焊试样之间的相互作用定义为接触对,分析了夹具及垫板与被焊试样之间相互作用的不同处理方式对被焊试样焊接应力与变形的影响。利用移动温度函数法以及解析法与有限元法相结合的方法,分别开展了焊接数值模拟高效计算研究。利用移动温度函数法,将大型筒体结构焊接数值模拟的计算时间缩短至有限元顺序耦合法的1/3,而且能够保证焊接数值模拟的计算准确性。将解析法与有限元法相结合,在ABAQUS软件中同步完成了焊接温度场与焊接应力应变场计算,与有限元顺序耦合法相比,在保证计算准确性的前提下,将焊接数值模拟总计算时间和总CPU时间均节约40%以上。采用数值模拟与实验相结合的研究方法,进行了航天筒体结构焊接变形研究。开展了不同尺寸与结构形式航天筒体结构的焊后残余变形预测,焊接验证实验证明了数值模拟预测结果的准确性。采用数值模拟与实验研究相结合的分析方法,发现航天筒体结构焊后沿母线的下凹挠曲变形主要由焊缝的横向收缩引起。针对焊缝横向收缩的特点,开展了基于数值模拟的航天筒体结构焊接工艺优化,提出了减小筒体结构焊后沿母线下凹变形的工艺方案,并得到了实验结果的正确验证。

铝铜系合金焊接接头应力腐蚀与焊接工艺相关性的研究

       铝合金结构在焊接时,由于焊接热循环的作用,不可避免地带来了因过时效而导致接头热影响区的软化(即固溶相分解析出)现象,不仅使得接头的强度性能降低,同时由于组织的不均匀性和贫铜区的形成,易产生电化学腐蚀破坏,也使接头的应力腐蚀开裂(SCC)敏感性显著增大,这是固溶强化型铝合金长期以来一直未获解决的工程实际问题。因此,研究铝合金焊接接头的腐蚀失效特性,分析导致腐蚀失效的影响因素,对于提高航天铝合金焊接结构的长期性能具有十分重要的工程实际意义。本文通过进行宏观力学试验、慢应变速率试验及采用断口扫描电镜、金相观测辅助技术,研究了20##、2219铝铜系合金及其在不同焊接条件下(变极性TIG焊、高频-TIG复合焊、大功率激光-TIG复合焊、激光-TIG复合焊,激光高频-TIG复合焊)的焊接接头力学性能与应力腐蚀开裂敏感性对比,提出焊接接头的应力腐蚀开裂敏感性与焊接方法相关性的证据,并得到一种能保证接头高强度和抗应力腐蚀性能的较理想的焊接工艺。试验结果显示,小功率激光和高频脉冲能量可有效减少甚至消除接头焊缝熔合区气孔缺陷,并且由于高频脉冲的强烈搅拌作用,可打碎生长中的枝晶,促使接头熔合区形成细晶带。与变极性TIG焊相比,激光-TIG复合焊、高频-TIG复合焊、激光高频-TIG复合焊可以显著提高焊接速度,减少热输入,细化焊缝组织,减少晶界共晶组织宽度,从而显著改善和提高接头的力学性能与抗应力腐蚀性能。2219铝合金五种焊接接头抗应力腐蚀性能差异较大,其中大功率激光-TIG复合焊接头延伸率最低,开裂敏感性最高;激光高频-TIG复合焊接头平均断裂时间明显大于变极性TIG焊接头,且已达到2219母材的94%左右,抗应力腐蚀性能最好。然而对于2014铝合金接头,五种焊接接头该项指标至多达到2014母材的60%。在相同的焊接条件下采用高频或者激光复合的效果并不理想,虽然焊缝组织有所细化,但晶界附近贫铜区分布不及2219接头组织均匀,开裂敏感性增加。因此,需要有针对的进一步研发适用于2014铝合金的复合焊工艺。

2024与7075异种高强铝合金激光填丝焊接技术研究

2024和7075铝合金是两种可热处理高强铝合金,目前广泛应用在对材料比强度要求较高的机身蒙皮、翼梁,汽车及轨道交通的制造等领域。两种铝合金的广泛应用不可避免的出现二者之间连接的问题,铆接等机械连接方式增加了结构重量,而2024使用传统电弧焊可焊性不高,7075则不被推荐采用电弧焊。激光焊接能量密度高、加热冷却速度快等特点成为铝合金焊接较优的选则。但是,在高功率密度作用下产生的小孔并不能稳定存在,尤其对于含Mg、Zn较多的7075铝合金,小孔非常不稳定。为解决两种铝合金焊接过程不稳定性问题,本文将使用填充焊丝的方法对两种铝合金进行对接实验研究,并测试分析焊缝组织及性能。本文研究了焊接工艺对过程不稳定性的影响,并探讨了产生影响的机理。通过高速摄像对熔滴过渡过程进行研究,认为激光直接加热及热传导是焊丝熔化的主要加热机制。这种加热机制导致不同光丝间距下熔滴过渡方式的改变,当光丝间距为0时熔滴过渡稳定。通过分析高速摄像得到的不同送丝速度熔滴过渡及等离子体面积的变化,认为熔滴对熔池具有调节能量分配维持小孔前壁稳定的作用,提高送丝速度会提高熔滴过渡频率,稳定焊接过程。针对不同类型气孔研究了焊前清理方法对氢气孔的影响以及工艺对工艺气孔的影响。物理清理比化学清理方法降低氢气孔的作用更加明显。激光偏转及在熔透焊条件下提高送丝速度都会降低气孔率。通过金相分析技术、SEM/EDS技术、拉伸试验及显微硬度测试等手段分析了2319及4043焊丝焊接的焊缝微观组织、微区元素,断口形貌、拉伸强度以及显微硬度。讨论了热影响区过烧现象、熔合线附近柱状晶区、V字形粗晶区、粗大树枝状晶粒组织出现的原因。比较了使用两种填充焊丝时焊缝力学性能,结果表明采用2319焊丝的焊缝抗拉强度达到339.5MPa,比采用4043焊丝的焊缝较高,但塑韧性较差。此外,研究焊缝断裂位置及断口形貌,发现各区域组织对焊缝断裂产生了一定规律的影响。

LY12铝合金激光-电弧复合焊接工艺研究

铝合金由于密度小、比强度高、导热率高、机械加工性能好，被广泛应用于航空航天领域。但是，铝合金，尤其是高强铝合金焊接存在一定难度。激光-MIG电弧复合焊接技术拥有的焊接熔深大、焊接速度快、工艺稳定性好等优点，对于解决铝合金焊接难题具有一定优势。因此，铝合金激光-MIG电弧复合焊接研究对铝工业发展具有重要意义。本文针对航空航天中广泛应用的LY12高强铝合金，开展了激光-MIG电弧复合焊接的研究，主要结论如下：针对板厚为2.5mm和5mm的LY12高强铝合金激光-MIG电弧复合焊接工艺进行研究并得到焊缝成形规律。研究结果表明，铝合金复合焊缝熔深和熔宽均随激光功率和电弧能量的增大而增加，且随焊接速度的增大而减小。对2.5mm薄板铝合金来说，高焊接速度会增加焊缝裂纹倾向。此外，试验得到了能够获得良好焊缝成形的保护气体具体参数：同轴保护气体为He，流量为15 L/min；旁轴保护气为80%Ar+20%He，流量为25 L/min。研究结果表明，裂纹是LY12高强铝合金复合焊焊缝的主要缺陷。裂纹主要分为焊缝中心结晶裂纹、熔合线裂纹、氧化膜气孔裂纹和显微裂纹，其中，焊缝中心结晶裂纹出现的最为普遍。实验证明，降低电弧电压和焊接速度可以抑制结晶裂纹；采用ER4043焊丝能够通过增大液态熔池流动性实现抑制结晶裂纹的目的，此外，填充钛合金粉末也有利于抑制结晶裂纹。在LY12高强铝合金复合焊接接头显微组织及力学性能的研究中得到，焊缝区显微硬度明显低于母材，由母材到焊缝中心的显微组织依次为柱状枝晶、等轴枝晶和树枝晶。对焊缝进行热处理后，焊缝区枝晶熔解，晶粒有一定程度长大，晶内有沉淀强化相析出，其显微硬度接近母材。对于板厚为2.5mm和5mm板材，LY12高强铝合金复合焊接头抗拉强度分别达到母材的74.5%和80%。

车制造厂焊接车间置换通风气流组织优化数值研究

     近年来,汽车制造工业飞速发展,并已成为我国国民经济的支柱产业之一。铝合金在汽车制造中被广泛应用,其焊接技术是现代汽车制造工艺中最关键的环节之一。MIG焊是实现铝合金加工的一种重要方法,但其焊接过程伴随着大量铝合金焊接烟尘的产生,其主要成分为Al2O3,会对人体的健康产生严重危害。因此需要在铝合金焊接车间设置通风空调系统,对车间内烟尘的浓度加以控制,以改善焊工的劳动作业环境,提高生产效率。现代汽车制造厂铝合金焊接车间跨度大、高度高,车间内焊点处热与污染同时发生,这些特点使得焊接车间很适合采用置换通风方式进行通风,这样一来,车间内下部活动区空气清新,上部非活动区空气污染较严重,存在着热力分层。但是,置换通风空调房间的气流组织方案会对其通风效果产生很大的影响。在相同的设计参数下,不同的方案将会在室内形成不同的温度、速度、相对湿度及污染物浓度分布,而影响到通风空调系统的运行效果。合理的气流组织方案是有效控制铝合金焊接车间内焊接烟尘浓度、保证车间内部达到焊接生产工艺所要求的温度、湿度、气流速度的先决条件。因此,本文针对某汽车制造厂铝合金焊接车间,结合车间内焊点的空间布局,确定了A、B两种置换通风气流组织方案。方案A为在焊接车间跨的一侧和跨中部的安全通道处各设置一排送风口,方案B则仅在焊接车间跨的一侧设置一排送风口,两种方案的回风口均设置在车间顶部。采用FLUENT软件对A、B两种方案在夏季工况下车间内的污染物浓度、气流速度、温度、压力场进行了数值模拟。结果分析表明,采用方案A车间内的通风气流组织效果优于方案B。接着,针对方案A,在送、回风口尺寸不变、送风温度及湿度参数不变的情况下,对不同通风换气次数下的通风效果进行了数值模拟,通过结果的比较分析,提出了方案A的最佳通风换气次数为2次／h。

A7N01铝合金焊接接头的组织及力学性能

      A7N01铝合金具有优良的力学性能和焊接成形性能,在高速轨道列车的底架设计中得到广泛应用。本文针对国产A7N01铝合金焊接接头展开研究,主要研究A7N01铝合金焊接接头的组织及力学性能。试验所用焊接接头的坡口形式有对接V形、对接单边V形和对接K形三种,从以下几个方面对其进行试验研究：首先对三种焊接接头进行金相试件的制作,之后对其进行组织的宏观分析、微观分析和硬度分析。其次对三种焊接接头及母材进行静力学拉伸试验和冲击试验。最后对三种焊接接头进行疲劳试验及数据分析,对疲劳强度较低的焊接接头进行优化设计。通过对以上几个方面的试验数据分析,获得每种坡口形式焊接接头的各项力学性能及其影响因素。在有限元分析的基础上,对疲劳强度较低的试验件进行不同方法的优化设计,分析对比优化设计前后的试验结果,从而得出不同的优化设计方法对试验件疲劳强度提高的幅度。 

    

 

2  研究内容与预期研究成果

2.1 研究目标

 

2.2 主要研究内容

2.3 预期研究成果

 

3、主要参考文献