CMT条件下铝在不同板材上润湿行为及数值模拟

发布时间：2017-08-14 13:38

  本文关键词：CMT条件下铝在不同板材上润湿行为及数值模拟

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【摘要】：铝-钢、铝-钛及铝-铜的连接件被广泛地应用于汽车、航天航空、军工及家电等行业,但在实际生产中铝-钢、铝-钛、铝-铜易形成硬脆的金属间化合物,降低接头性能。与此同时,异种金属接头的良好性能和焊接过程中熔滴与母材的润湿铺展及界面反应紧密相关,但在实际连接过程中对熔滴金属润湿的控制及表征较为困难。因此,在减少金属间化合物量的前提下,需改善熔滴和母材的润湿铺展并对其进行定量分析。在CMT(Cold Metal Transfer)条件下,通过实验和数值模拟两种手段对熔滴和母材的润湿铺展进行分析。首先,实验采用激光背光和CCD数码相机,以动态座滴法分析了AlSi_5合金分别在TA2钛板和T2铜板上的润湿行为。结果表明:铝-钛、铝-铜在CMT条件下润湿行为的变化(接触角和接触半径随时间的变化)及最终的润湿性与钛板、铜板表面氧化膜的清理程度有关。在仅机械清理钛板、铜板表面氧化膜的情况下,少量氧化膜会在AlSi_5合金润湿铺展初期起到阻碍作用,表现为三相线阻滞。同时氧化膜降低了界面反应性,使得在同一焊接参数下机械和化学共同清理下的界面反应程度较仅机械清理下的界面反应剧烈。与仅机械清理钛板、铜板表面氧化膜下的润湿结果相比,在机械和化学共同清理下,AlSi_5合金在钛板和铜板上的润湿性更好,且在润湿行为中不发生三相线阻滞。其次,采用VOF(Volume of Fluid)三相流模型和凝固熔化模型进行数值模拟,建立了熔融AlSi_5合金在基板上(钢板、钛板和铜板)的润湿铺展模型,并分别计算了在CMT条件下不同送丝速度下第一个循环周期内熔融AlSi_5合金在不同板材上的润湿行为。结果表明:影响熔融AlSi_5合金在不同基板上润湿铺展的主要因素为温度场分布。由于存在热量交换,AlSi_5合金在钛板和钢板上铺展时,AlSi_5合金首先在三相线处发生凝固,然后向AlSi_5合金中心蔓延。而AlSi_5合金在铜板上铺展时,AlSi_5合金直接在底部发生凝固,然后逐渐向上蔓延。AlSi_5合金在钢板、钛板和铜板上铺展时,已凝固AlSi_5合金对其自身铺展有一定阻碍作用。此外,随送丝速度的增加,AlSi_5合金在钢板、钛板和铜板上的润湿性也变好。最后,对AlSi_5合金在钢板、钛板和铜板上的润湿结果进行对比,发现随板材导热系数的降低(铜板钢板钛板),同一时刻下AlSi_5合金在板材上铺展时的温度越高,已凝固AlSi_5合金的量越少,表现为AlSi_5合金在板材上的润湿性越好。通过分析AlSi_5合金在不同板材上润湿时接触角和毛细数的关系,发现其接触角随毛细数的增加呈线性减小。
【关键词】：冷金属过渡 铝-钢、铝-钛、铝-铜 润湿铺展 界面结构 数值模拟
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG406
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题的背景和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-16
• 1.2.1 异种金属润湿性的实验研究11-12
• 1.2.2 异种金属焊接性12-14
• 1.2.3 润湿铺展数值模拟的研究现状14-16
• 1.3 本文主要研究的内容16-17
• 第2章 实验方法及数学建模17-28
• 2.1 实验材料17
• 2.2 实验设备17-19
• 2.2.1 润湿实验设备17-18
• 2.2.2 微观组织和相成分分析设备18-19
• 2.3 实验方法19-20
• 2.3.1 焊前处理19
• 2.3.2 润湿性表征19-20
• 2.3.3 微观组织分析20
• 2.4 模型假设及网格划分20-21
• 2.5 控制方程组及边界条件21-24
• 2.5.1 控制方程组及源项21-23
• 2.5.2 自由表面和凝固界面跟踪法23-24
• 2.5.3 边界条件24
• 2.6 材料物性参数24-26
• 2.7 模拟计算的实现26-27
• 2.8 本章小结27-28
• 第3章 铝-钢润湿行为分析28-41
• 3.1 初始温度的确定28-30
• 3.1.1 同一送丝速度下铝合金和钢板温度的差值28
• 3.1.2 不同送丝速度下铝合金温度的差值28-29
• 3.1.3 不同送丝速度下的初始化温度29-30
• 3.2 模拟结果与分析30-34
• 3.2.1 温度场分析30-31
• 3.2.2 形态演变分析31-32
• 3.2.3 凝固熔化分析32-33
• 3.2.4 模拟与实验对比分析33-34
• 3.3 润湿行为及分析34-39
• 3.3.1 初始速度对润湿结果的影响34-35
• 3.3.2 不同送丝速度下的数值计算及分析35-36
• 3.3.3 接触角和接触半径随时间的变化36-37
• 3.3.4 其他因素对润湿行为的影响37-39
• 3.4 本章小结39-41
• 第4章 铝-钛润湿行为分析41-49
• 4.1 润湿行为41-42
• 4.1.1 仅机械清理下的润湿行为41-42
• 4.1.2 机械和化学共同清理下的润湿行为42
• 4.2 界面结构42-45
• 4.2.1 仅机械清理下的界面微观结构43-44
• 4.2.2 机械和化学共同清理下的界面微观结构44-45
• 4.3 数值计算45-48
• 4.3.1 初始温度的确定45-47
• 4.3.2 润湿行为及分析47-48
• 4.4 本章小结48-49
• 第5章 铝-铜润湿行为分析49-58
• 5.1 润湿行为49-50
• 5.1.1 仅机械清理下的润湿行为49
• 5.1.2 机械和化学共同清理下的润湿行为49-50
• 5.2 界面结构50-53
• 5.2.1 仅机械清理下的界面微观结构50-52
• 5.2.2 机械和化学共同清理下的界面微观结构52-53
• 5.3 数值计算53-57
• 5.3.1 初始温度的确定53-55
• 5.3.2 润湿行为及分析55-57
• 5.4 本章小结57-58
• 第6章 不同板材对铝合金润湿行为的影响58-63
• 6.1 不同板材物性差异58
• 6.2 铝合金在不同板材的润湿结果58-61
• 6.2.1 铝合金在不同板材的润湿能力58-59
• 6.2.2 铝合金在不同板材的温度场分析59-60
• 6.2.3 铝合金在不同板材的形态和凝固熔化演变60-61
• 6.3 接触角和毛细数的关系61-62
• 6.4 本章小结62-63
• 结论与展望63-65
• 参考文献65-69
• 致谢69-70
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录70

【参考文献】

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本文编号：672970