Invar合金激光-MIG复合焊接熔池与小孔动态行为研究

发布时间：2019-10-18 02:21

【摘要】：复合材料因具有高比强度、优良的疲劳性能等特点而在航空制造领域得到了越来越广泛的应用。Invar合金与复合材料热膨胀系数相似,通常被用做复合材料成型模具。大尺寸的飞机复合材料零件需求大尺寸的成型模具,而Invar合金大型模具难以一次成形,通常采用焊接结构进行生产制造。本文采用试验与仿真相结合的方法,研究Invar合金激光-MIG复合焊熔池流动机理与小孔瞬态演变过程。首先,基于适度假设,建立复合焊接流场的数学模型,引入VOF方法,求解自由表面,分析蒸发、凝固和熔化等物理过程。同时,为了配合研究激光-MIG复合焊熔池与小孔动态行为,开展相关焊接试验:分别对5mm厚的Invar合金进行激光焊接和激光-MIG复合焊接,观察熔池形貌;并进一步对19.05mm厚的Invar合金进行激光-MIG复合焊接,分析各层的深宽比。研究表明,打底焊呈“笔直钉头状”,填充焊和盖面焊呈“高脚杯状”。其次,建立5mm厚Invar合金激光-MIG复合焊接二维模型,研究物理参数与小孔形成的关系。结果表明,焊接过程中,熔池在反冲压力、热毛细力和表面张力的共同作用下形成小孔;进一步地,建立复合焊接三维模型,重点研究小孔形貌、熔池温度分布以及熔池流动特性,结果表明,在焊接过程中小孔始终保持张开,小孔壁面温度最高,达到3150K,小孔壁面附近流体流速较大,最高流速可达0.95m/s以上,小孔壁面附近的液体大多沿着小孔向上流动。并开展相关试验对模拟结果进行验证。再次,建立5mm厚Invar合金单激光焊接过程流场模型,分析小孔波动增长规律,与激光-MIG复合焊接模拟结果对比。结果表明,两者的小孔波动增长规律基本一致,都可以分为三个阶段,但是复合焊接的小孔波动幅度较小,同时复合焊接过程中熔滴的加入能够有效抑制小孔尾端的“后倾”现象。最后,基于已经建立的5mm厚Invar合金激光-MIG复合焊接模型,研究激光功率、焊接速度和电流大小对小孔形成和熔池流动的影响规律。结果表明,增大激光功率,小孔后端涡流强度增加,小孔深度加深;增加焊接速度,小孔深度振荡的幅度降低同时小孔深度和熔池流动速度减小;增大电流强度,有效的增加小孔深度,增大小孔后方熔滴低落处的熔池流速。通过上述的研究,对Invar合金激光-MIG复合焊接过程中,小孔形成过程与熔池流动行为进行了较为深入的研究,为Invar合金激光-MIG复合焊接工艺提供了理论依据。
【图文】：

热膨胀系数,合金

过程小孔形成和波动过程进行重点分析。简介及其焊接研究现状简介 Ni 含量为 36%的 Fe-Ni 合金，，在国内也叫“殷钢”或者“殷”[12]。Invar 合金于 19 世纪末被 Guillaume 在制造大地测量，1920 年诺贝尔物理学奖授予法国科学家 Guillaume，也奖的[13]）。随着温度变化，Fe-36Ni 合金的尺寸有着令人吃度变化而改变。图 1.1 为 Fe-Ni 合金的热膨胀系数随着镍，在-200℃-200℃温度区间内，Fe-36Ni 合金拥有较为稳定的 11%~20%[14,15]。这是因为铁镍合金在 Ni 含量为 36%时结构具有较强的热稳定性能，同时从 Invar 合金化学成分 C低，可以有效的稳定 Invar 合金热膨胀系数大小，从而有处理过程[16]。因此，今年来 Fe-36Ni 合金广泛应用于电子以及激光等领域[17]。

金相,激光焊接,研究人员,大连理工大学

图 1. 3 Invar 合金激光焊接完整焊缝金相连理工大学的王显栋等研究人员[33]从试验和仿真两方面入手性气体保护焊接过程。MSC.MARC 软件（有限元方法）分析应力仪测得结果进行验证。研究结果表明：焊缝残余应力值与处纵向应力峰值越大，并且对比了焊接残余应力对于 LNG 船疲劳寿命与参与应力的关系，最后发现疲劳寿命可以通过循环进行改善。东升等研究人员[34,35]采用 MSC.Marc 模拟软件对 LNG 船用接过程热学和力学问题的数值计算，同时对比了液体晃荡压力度和 Invar 合金焊缝的疲劳寿命，最终结果表明，残余应力能述研究现状可知，对薄板 Invar 合金焊接工艺的探索较多。同有：未熔合、咬边、未焊透、热裂纹以及气孔等；气孔主要是体保护不良；热裂纹影响最大，主要是有害元素导致。TIG 焊焊接中，其次依次为激光焊，其中民用飞机复合材料 Invar 合
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG40

【参考文献】