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中厚板2024铝合金的焊接工艺研究及数值模拟

作　者: 张亮
导　师: 王少刚
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 2024铝合金焊接工艺力学性能微观组织数值模拟
分类号: TG457.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

2024铝合金属于可热处理强化铝合金,广泛应用于飞机蒙皮、翼梁等受力较大的结构件,而且随着高新技术的发展,其应用范围还在日益扩大。但是由于此类材料具有特殊的焊接性,焊接过程中易出现热裂纹、气孔等焊缺陷,获得的焊接接头的强度系数往往较低,使其在实际生产中的应用受到了一定的限制。为了获得满足实际使用要求的优质焊接接头,通常要根据被焊件的结构以及尺寸选择合适的焊接方法及工艺参数。本文研究了采用钨极氩弧焊(TIG)、熔化极氩弧焊(MIG)和真空电子束焊(EBW)三种不同焊接方法对不同厚度的2024铝合金板焊接接头性能的影响,并对获得的焊接接头组织与性能进行了系统的研究和理论分析,同时对其相关焊接工艺参数进行优化,得到了焊缝表面成形良好和接头质量优良的焊接接头。同时,文中还基于ANSYS软件采用双椭球热源模型对MIG和EBW焊接温度场进行了模拟分析,并通过APDL二次开发语言实现焊接过程中移动热源的加载和卸载,分析了在不同焊接工艺下接头温度场的分布特点,计算结果可为优化焊接工艺提供理论指导。研究结果表明,采用三种焊接方法所获得的焊接接头的强度与母材本身的强度相比都有不同程度的下降,其中EBW接头强度最高,MIG接头强度次之,而TIG接头强度最低,但在通常情况下,EBW和MIG焊接头的强度均能够满足实际工程结构应用要求。接头金相组织观察显示,在三种不同的焊接工艺条件下,接头的焊缝金属区,电子束焊接工艺下焊缝的显微组织呈现细小的等轴晶,共晶组织分布更加均匀,而在钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊接工艺下获得焊缝的显微组织均呈现等轴枝晶形貌,晶粒尺寸也明显大于电子束焊缝区的晶粒尺寸;三种焊接接头的热影响区组织基本呈粗大的柱状枝晶形貌,但真空电子束焊接头的热影响区组织柱状晶尺寸相比其他两种焊接接头明显较小。对不同焊接接头的拉伸断口进行扫描分析,在TIG焊接头的断口表面形貌中可明显观察到河流花样及撕裂棱,呈典型的解理断裂特征;而在MIG焊和EBW焊接头的断口表面发现有大量的韧窝,并且在部分韧窝底部可以清晰看到有许多细小颗粒,韧窝外侧撕裂棱明显,呈现明显的韧性断裂特征。利用XRD对焊缝接头进行分析,结果表明三种接头的焊缝区都以α-Al相为基,此外,在TIG焊接头焊缝中发现存在θ(CuAl2)强化相及单质Si相;MIG焊接头焊缝中分布有θ(CuAl2)和Mg2Si等强化相;电子束焊接头焊缝中分布θ(CuAl2)和S(Al2CuMg)等强化相,并通过TEM微观分析进一步证实了接头中的强化相主要为θ(CuAl2)相。利用ANSYS软件对厚度为8mm的2024铝合金MIG和EBW焊接温度场进行模拟分析,计算结果表明,采用双椭球体热源模型的模拟计算结果与实际焊接过程较为接近,验证了所建立的热源模型的可靠性。对模拟计算的结果进行分析,与实际焊接熔池形貌相比基本吻合。焊接工艺参数对温度场的影响分析表明,焊接速度越小,温度场高温区域范围和同一测量点的峰值温度越高;焊接功率越大,同一测量点的峰值温度也越高。综合试验结果表明,采用熔化极氩弧焊和真空电子束焊接方法可实现中厚板2024铝合金的高质量连接。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
图、表清单  11-14
第一章绪论  14-31
  1.1 研究背景  14-15
  1.2 2024 铝合金的分类与特点  15-18
    1.2.1 铝合金的分类  15-16
    1.2.2 2024 铝合金的化学成分及组织特点  16-18
  1.3 2024 铝合金的焊接性及焊接方法  18-26
    1.3.1 2024 铝合金的焊接性特点  18-19
    1.3.2 2024 铝合金的熔化焊  19-24
      1.3.2.1 钨极气体保护焊  19
      1.3.2.2 熔化极气体保护焊  19-20
      1.3.2.3 激光-电弧焊  20-21
      1.3.2.4 真空电子束焊  21-24
    1.3.3 2024 铝合金的压力焊  24-25
    1.3.4 2024 铝合金的其他焊接方法  25-26
  1.4 2024 铝合金国内外焊接研究现状  26-28
  1.5 焊接有限元热分析研究进展  28-29
  1.6 本课题的主要研究内容  29-31
第二章试验材料及方法  31-39
  2.1 试验材料  31-32
  2.2 试验方案确定  32-33
    2.2.1 焊接方法的选择  32-33
    2.2.2 焊接材料的选择  33
    2.2.3 接头坡口形式  33
  2.3 焊接工艺过程  33-35
    2.3.1 焊接设备  33-34
    2.3.2 焊接工艺参数  34-35
  2.4 试验分析  35-36
    2.4.1 接头力学性能分析  35-36
    2.4.2 接头微观组织分析  36
  2.5 温度场分析软件简介  36-39
第三章 2024 铝合金焊接接头的力学性能  39-49
  3.1 接头的宏观形貌  39-40
  3.2 接头拉伸实验  40-43
  3.3 接头强度的数学模型建立  43-45
  3.4 接头显微硬度测试  45-47
  3.5 本章小结  47-49
第四章 2024 铝合金接头的微观组织结构  49-66
  4.1 接头金相组织观察  49-54
  4.2 接头断口扫描电镜分析  54-56
  4.3 接头XRD 物相分析  56-58
  4.4 接头焊缝组织 SEM 扫描分析  58-61
    4.4.1 Al-Cu 合金的脱溶  58-59
    4.4.2 接头焊缝金属的SEM 分析  59-61
  4.5 接头过渡区合金元素分布线扫描分析  61-62
  4.6 接头焊缝 TEM 观察分析  62-64
  4.7 本章小结  64-66
第五章 2024 铝合金焊接温度场的数值模拟  66-87
  5.1 焊接温度场有限元分析理论基础  66-70
    5.1.1 温度场的控制方程  66-67
    5.1.2 初始条件和边界条件  67
    5.1.3 热源模型  67-70
  5.2 焊接温度场有限元模拟过程  70-75
    5.2.1 几何模型的建立  70-71
    5.2.2 材料热物理性能参数  71-72
    5.2.3 单元类型的确定  72
    5.2.4 网格划分  72-73
    5.2.5 边界条件的处理  73
    5.2.6 生死单元技术  73-74
    5.2.7 移动热源的处理  74-75
  5.3 熔化极氩弧焊温度场的模拟计算结果与分析  75-82
    5.3.1 焊接工艺参数对温度场的影响  75-78
      5.3.1.1 焊接速度对温度场的影响  75-76
      5.3.1.2 电弧功率对温度场的影响  76-78
    5.3.2 熔化极氩弧焊接过程中温度场分布  78-81
      5.3.2.1 整体温度场的分布  78-79
      5.3.2.2 焊件上各节点的温度时间变化历程  79-81
    5.3.3 模拟结果的验证  81-82
  5.4 真空电子束焊温度场的模拟计算结果与分析  82-86
    5.4.1 焊接工艺参数对温度场的影响  82-83
      5.4.1.1 焊接速度对温度场的影响  82
      5.4.1.2 电子束功率对温度场的影响  82-83
    5.4.2 真空电子束焊接过程中温度场分布  83-85
      5.4.2.1 整体温度场的分布  83-84
      5.4.2.2 焊件上各节点的焊接热循环  84-85
    5.4.3 模拟结果的验证  85-86
  5.5 本章小结  86-87
第六章结论  87-89
参考文献  89-96
致谢  96-97
在学期间的研究成果及发表的学术论文  97

中厚板2024铝合金的焊接工艺研究及数值模拟

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