基于热效应的复材成型Invar钢模具焊接工艺与性能研究
发布时间：2021-11-17 14:13
碳纤维增强树脂基复合材料具有结构轻、比强度高等诸多优点,是制造现代飞机结构件的重要材料。Invar钢的热膨胀系数极低且稳定性良好,是用来制造航空复合材料零件成型所用模具的理想材料。焊接作为Invar钢模具生产制造过程中不可或缺的加工工艺,对模具最终的使用性能具有决定性的影响。然而,目前国内对Invar钢焊接工艺的研究尚处于起步阶段,相关研究内容还较为匮乏,这严重影响了各类复材零件对不同Invar钢模具焊接生产的需求。与激光焊接等高能束焊接技术相比,多层电弧焊接在连接大厚度板时具有显著的成本优势,目前被广泛应用于复材零件成型模具的加工制造。因此,本文采用电弧多层多道焊接（Multi Layer Multi Pass Welding,MLMPW）与多层摆动焊接（Multi Layer Weave Bead Welding,MLWBW）工艺,开展飞机复材零件成型专用19.05 mm（0.75英寸）厚Invar钢自动焊接技术研究,着重求解分析Invar钢模具焊接热过程,并研究热积累效应对焊接工艺与性能的影响。本文将Invar钢模具多层焊接常用的工艺参数（焊接电流、焊接电压、层数与道数）作为主要...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
复合材料在工业领域的应用：(a)飞机上应用，(b)飞机模具
表 1.1 Invar 钢的化学成分 (重量百分比 wt,%)C Si Mn P S Cr Co Ni .01max 0.2max 0.2-0.4 0.007max 0.002max 0.15max 0.4max 36.0 B自 Invar 钢问世以来，热膨胀系数极低的特点使之得到了广泛的应用，图 1.2 为 Invar 钢分应用实例。早期主要使用 Invar 钢来制造测量仪中的薄带、细丝以及座钟的摆锤[23,24]。同灯泡、无线电电子管、恒温器控温双金属片、校对量规用测量仪器、发动机控制器和温度弹簧等零部件中都能够看到 Invar 钢的身影。Invar 钢还适合于制造大型运输船中液态天然NG) 贮槽，这是因为与传统材料奥氏体不锈钢相比，Invar 钢的低温至室温的热膨胀系数仅者的十分之一，所以不需要为了吸收低温输送管道的热收缩量而设计制造复杂的回路结构而能够大大降低 LNG 船的建造费用。目前，Invar 钢还具有许多全新的用途，其中包括制密激光、光学测量系统和波导管中的结构元件；用于显微镜、天文望远镜中透镜的支持系需要安装透镜的各种科学仪器当中；还有利于解决高分辨阴极射线管中荫罩的“穹面效应。Invar 钢在尖端高科技产品制造领域的广泛应用，有力地证明了这种看似“古老”的材料帮助现代科学与工程迈向更高水平阶段。
气密性良好，能够保证生产的复材结构件尺寸精度误差与复合材料相近的热膨胀系数；足够刚度和强度，能够承受模具在生产、工装等情况下的外力作用；优良的热传导性和热均匀性，能够适应固化过程中温度变化过程，防要注意的是，在复材零件的成型过程中，模具材料与复合材料的热膨响了零件的成型质量。如果两者的热膨胀系数相差较大，那么在升温与寸会随着模具尺寸的变化而变化，从而导致复材零件最终的尺寸偏差，热膨胀系数的不匹配使得模具与复合材料的收缩量相差较大，变形可能会在制造过程中产生损伤。的热膨胀系数远低于任何一种金属复材模具的热膨胀系数，且经适当到与复材零件热膨胀系数的完美匹配，而且 Invar 钢的焊接性能好、热，被认为是最具有潜力的一种复材成型模具材料，在国外已经得到广件 Invar 钢成型模具如图 1.3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]14%IACS铝包殷钢芯超耐热铝合金导线的研制[J]. 成祥,陈彬,杜玉汉. 光纤与电缆及其应用技术. 2018(01)
[2]铝合金TIG电弧横焊接头缺陷及控制[J]. 张勤练,李钊,杨春利,范成磊. 焊接学报. 2017(02)
[3]不锈钢-殷钢异种金属氩弧焊接工艺及性能分析[J]. 葛瑞荣,董向群,林培辉,周尚荣. 热加工工艺. 2014(13)
[4]基于MARC的多层多道焊数值仿真研究[J]. 孙永宾,郝淑英. 天津理工大学学报. 2014(03)
[5]复合材料Invar模具制造技术分析[J]. 王玉华,陈洁,占小红,刘红兵,王苏明,李昊,邓景煜. 航空制造技术. 2014(11)
[6]厚板多层多道焊温度场的有限元分析[J]. 胥国祥,杜宝帅,董再胜,朱静. 焊接学报. 2013(05)
[7]复合材料成型模具研究进展[J]. 章令晖,李甲申,韩宇,王超,刘鹏,赵金涛. 航天制造技术. 2013(01)
[8]翻转次数对20MnMoNb特厚管板焊接残余应力与变形影响的数值分析[J]. 王艳飞,耿鲁阳,巩建鸣,蒋文春. 焊接学报. 2012(10)
[9]LNG船的Invar钢焊接参数的选择与数值模拟[J]. 王威,董炜,赵虹,封海锋. 现代焊接. 2012(10)
[10]Fe-36%Ni合金搅拌摩擦焊接头组织与性能的改善[J]. 赵玥,吴爱萍,任家烈,Yutaka S.Sato,Hiroyuki Kokawa. 焊接. 2012 (05)
博士论文
[1]SiO2-BN陶瓷与Invar合金钎焊中间层设计及界面结构形成机理[D]. 杨振文.哈尔滨工业大学 2013
[2]机车构架侧梁焊接数值仿真与变形控制[D]. 赵利华.西南交通大学 2012
[3]大厚板高强钢双面双弧焊新工艺及机器人自动化焊接技术[D]. 张华军.哈尔滨工业大学 2009
[4]大型结构焊接变形数值模拟的研究与应用[D]. 蔡志鹏.清华大学 2001
硕士论文
[1]Invar钢激光-MIG复合焊接熔池流场形态研究[D]. 汪奇兵.南京航空航天大学 2016
[2]民机复材结构用Invar钢模具焊接工艺优化研究[D]. 张家铭.哈尔滨工业大学 2013
[3]中厚板铝合金TIG-激光复合焊接工艺研究[D]. 田新兵.大连理工大学 2013
[4]殷钢厚板材料激光焊接技术实验研究[D]. 尹波.大连理工大学 2009
[5]殷钢薄板材料激光焊接试验研究[D]. 周秋菊.大连理工大学 2007
[6]厚板多层多道焊的有限元数值模拟分析[D]. 李慧娟.天津大学 2007
本文编号：3501081
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
复合材料在工业领域的应用：(a)飞机上应用，(b)飞机模具
表 1.1 Invar 钢的化学成分 (重量百分比 wt,%)C Si Mn P S Cr Co Ni .01max 0.2max 0.2-0.4 0.007max 0.002max 0.15max 0.4max 36.0 B自 Invar 钢问世以来，热膨胀系数极低的特点使之得到了广泛的应用，图 1.2 为 Invar 钢分应用实例。早期主要使用 Invar 钢来制造测量仪中的薄带、细丝以及座钟的摆锤[23,24]。同灯泡、无线电电子管、恒温器控温双金属片、校对量规用测量仪器、发动机控制器和温度弹簧等零部件中都能够看到 Invar 钢的身影。Invar 钢还适合于制造大型运输船中液态天然NG) 贮槽，这是因为与传统材料奥氏体不锈钢相比，Invar 钢的低温至室温的热膨胀系数仅者的十分之一，所以不需要为了吸收低温输送管道的热收缩量而设计制造复杂的回路结构而能够大大降低 LNG 船的建造费用。目前，Invar 钢还具有许多全新的用途，其中包括制密激光、光学测量系统和波导管中的结构元件；用于显微镜、天文望远镜中透镜的支持系需要安装透镜的各种科学仪器当中；还有利于解决高分辨阴极射线管中荫罩的“穹面效应。Invar 钢在尖端高科技产品制造领域的广泛应用，有力地证明了这种看似“古老”的材料帮助现代科学与工程迈向更高水平阶段。
气密性良好，能够保证生产的复材结构件尺寸精度误差与复合材料相近的热膨胀系数；足够刚度和强度，能够承受模具在生产、工装等情况下的外力作用；优良的热传导性和热均匀性，能够适应固化过程中温度变化过程，防要注意的是，在复材零件的成型过程中，模具材料与复合材料的热膨响了零件的成型质量。如果两者的热膨胀系数相差较大，那么在升温与寸会随着模具尺寸的变化而变化，从而导致复材零件最终的尺寸偏差，热膨胀系数的不匹配使得模具与复合材料的收缩量相差较大，变形可能会在制造过程中产生损伤。的热膨胀系数远低于任何一种金属复材模具的热膨胀系数，且经适当到与复材零件热膨胀系数的完美匹配，而且 Invar 钢的焊接性能好、热，被认为是最具有潜力的一种复材成型模具材料，在国外已经得到广件 Invar 钢成型模具如图 1.3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]14%IACS铝包殷钢芯超耐热铝合金导线的研制[J]. 成祥,陈彬,杜玉汉. 光纤与电缆及其应用技术. 2018(01)
[2]铝合金TIG电弧横焊接头缺陷及控制[J]. 张勤练,李钊,杨春利,范成磊. 焊接学报. 2017(02)
[3]不锈钢-殷钢异种金属氩弧焊接工艺及性能分析[J]. 葛瑞荣,董向群,林培辉,周尚荣. 热加工工艺. 2014(13)
[4]基于MARC的多层多道焊数值仿真研究[J]. 孙永宾,郝淑英. 天津理工大学学报. 2014(03)
[5]复合材料Invar模具制造技术分析[J]. 王玉华,陈洁,占小红,刘红兵,王苏明,李昊,邓景煜. 航空制造技术. 2014(11)
[6]厚板多层多道焊温度场的有限元分析[J]. 胥国祥,杜宝帅,董再胜,朱静. 焊接学报. 2013(05)
[7]复合材料成型模具研究进展[J]. 章令晖,李甲申,韩宇,王超,刘鹏,赵金涛. 航天制造技术. 2013(01)
[8]翻转次数对20MnMoNb特厚管板焊接残余应力与变形影响的数值分析[J]. 王艳飞,耿鲁阳,巩建鸣,蒋文春. 焊接学报. 2012(10)
[9]LNG船的Invar钢焊接参数的选择与数值模拟[J]. 王威,董炜,赵虹,封海锋. 现代焊接. 2012(10)
[10]Fe-36%Ni合金搅拌摩擦焊接头组织与性能的改善[J]. 赵玥,吴爱萍,任家烈,Yutaka S.Sato,Hiroyuki Kokawa. 焊接. 2012 (05)
博士论文
[1]SiO2-BN陶瓷与Invar合金钎焊中间层设计及界面结构形成机理[D]. 杨振文.哈尔滨工业大学 2013
[2]机车构架侧梁焊接数值仿真与变形控制[D]. 赵利华.西南交通大学 2012
[3]大厚板高强钢双面双弧焊新工艺及机器人自动化焊接技术[D]. 张华军.哈尔滨工业大学 2009
[4]大型结构焊接变形数值模拟的研究与应用[D]. 蔡志鹏.清华大学 2001
硕士论文
[1]Invar钢激光-MIG复合焊接熔池流场形态研究[D]. 汪奇兵.南京航空航天大学 2016
[2]民机复材结构用Invar钢模具焊接工艺优化研究[D]. 张家铭.哈尔滨工业大学 2013
[3]中厚板铝合金TIG-激光复合焊接工艺研究[D]. 田新兵.大连理工大学 2013
[4]殷钢厚板材料激光焊接技术实验研究[D]. 尹波.大连理工大学 2009
[5]殷钢薄板材料激光焊接试验研究[D]. 周秋菊.大连理工大学 2007
[6]厚板多层多道焊的有限元数值模拟分析[D]. 李慧娟.天津大学 2007
本文编号：3501081
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