铝钢异厚金属电弧辅助激光对接熔钎焊的数值模拟

发布时间：2017-10-04 18:40

  本文关键词：铝钢异厚金属电弧辅助激光对接熔钎焊的数值模拟

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【摘要】：近年来,由于能源问题和车辆尾气排放问题的日益严重,汽车轻量化得到世界各国越来越多的重视。铝C钢一体化结构满足汽车、船舶、电力等领域节能减排的发展需求,具有良好的经济效益。但铝C钢异种金属的优质、高效连接是焊接领域的难点问题。电弧辅助激光焊接技术,可有效地利用电弧热源,在较小的激光功率条件下获得较大的润湿铺展和界面反应,显著提高了接头的铺展宽度,同时,冷却时间的延长也降低了焊接变形产生的倾向,实现高效率、高质量的焊接过程。因此研究铝C钢异种金属的电弧辅助激光焊接具有重要的科学意义和应用前景。采用预制涂粉的方法,利用电弧辅助激光焊接方法,对不等厚度的铝C镀锌钢对接熔钎焊进行数值模拟分析。采用0 5B5有限元软件,建立高斯热源模型模拟(电弧和三维锥体热源模型模拟激光的不重合组合热源模型,对温度场和应力场进行耦合分析,得到焊接过程中的温度场和残余应力分布;分析电弧辅助激光焊接的热输入、电弧电流、热源中心间距等工艺参数对熔钎焊温度场和残余应力的影响,同时对比分析了单激光束焊接和电弧辅助激光焊接时相同参数对焊缝的温度场和残余应力场的影响。温度场分析结果表明组合热源的温度场梯度比单一热源较宽,温度下降较为缓慢,延长了熔池的凝固时间,为焊缝节点达到局部最高温度的时间也逐渐延长,两种方式的温度场模拟结果都与实验结果吻合较好。残余应力场分析结果表明不重合组合热源的降温延迟下,焊缝区域应力值很小,是处于零应力状态;而焊后冷却,焊缝区域工件应力较小,变形相对较小;而单一热源焊后发生了弯曲变形,两头上弯中间凹陷,钢侧焊接变形最大处呈现拉应力,在两端逐渐过渡到压应力,铝合金受到焊接变形的影响呈现出相应的变形,但应力和变形较小,应力没有超出屈服强度。应力场模拟值与实测值略有偏差,误差的产生一方面是焊接后搁置时间较长伴有应力释放;其次是测量精确性较差;再者所建立的数学物理模型有待进一步改进。数值分析结果表明,电弧辅助激光对接熔钎焊比单一激光焊接具有更好的焊接效果。该模拟分析可为优化铝C钢电弧辅助激光熔钎焊接工艺与分析其机理提供依据。
【关键词】：铝钢异厚金属 熔钎焊 电弧辅助激光 对接接头 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】：TG457.1
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 课题背景与意义10-11
• 1.2 焊接数值模拟国内外研究现状11-13
• 1.2.1 激光焊接数值模拟的研究进展11-12
• 1.2.2 电弧焊接数值模拟的研究进展12-13
• 1.3 熔钎焊焊接在异种金属的数值模拟国内外研究现状13-15
• 1.3.1 熔钎焊焊接在异种金属的数值模拟国外研究现状13-14
• 1.3.2 熔钎焊焊接在异种金属的数值模拟国内研究现状14-15
• 1.4 研究内容15-16
• 第二章 焊接有限元分析的理论基础16-24
• 2.1 有限元法概述16
• 2.2 温度场的控制方程16-17
• 2.3 初始条件和边界条件17
• 2.4 温度场有限元求解17-18
• 2.5 热应力场有限元求解18-21
• 2.5.1 焊接热弹性问题19
• 2.5.2 焊接热弹塑性问题19-21
• 2.5.3 单元刚度矩阵21
• 2.6 基于ANSYS软件的焊接数值模拟21-24
• 2.6.1 ANSYS软件介绍21-22
• 2.6.2 基于ANSYS软件焊接数值模拟过程22-24
• 第三章 铝钢异厚金属电弧辅助激光对接熔钎焊接温度场数值模拟24-41
• 3.1 有限元模型的建立及网格划分24-25
• 3.2 热源模型的选取25-27
• 3.2.1 单激光焊接热源模型的选取25-26
• 3.2.2 电弧辅助激光焊接热源模型的选取26-27
• 3.3 材料的性能参数27-28
• 3.4 初始条件与边界条件28-29
• 3.4.1 单激光焊接边界条件的处理28
• 3.4.2 电弧辅助激光焊接边界条件的处理28-29
• 3.5 温度场模拟结果对比分析29-35
• 3.5.1 单激光温度场模拟结果29-31
• 3.5.2 电弧辅助激光温度场模拟结果31-33
• 3.5.3 单激光和电弧辅助激光温度场模拟对比分析33-35
• 3.6 温度场测试实验35-36
• 3.6.1 测量设备35
• 3.6.2 实验数据与模拟结果对比35-36
• 3.7 工艺参数对电弧辅助激光对接熔钎焊温度场的影响36-40
• 3.7.1 激光功率对温度场的影响37-38
• 3.7.2 热源间距对温度场的影响38-39
• 3.7.3 电压电流对温度场的影响39-40
• 3.8 本章小结40-41
• 第四章 铝钢异厚金属电弧辅助激光对接熔钎焊接应力场数值模拟41-62
• 4.1 应力场模拟结果对比分析41-49
• 4.1.1 单激光应力场模拟结果41-44
• 4.1.2 电弧辅助激光应力场模拟结果44-47
• 4.1.3 单激光和电弧辅助激光应力场模拟对比分析47-49
• 4.2 残余应力的测试49-52
• 4.2.1 测试设备49-51
• 4.2.2 测试方法51-52
• 4.3 实验数据与模拟结果对比52-53
• 4.4 工艺参数对电弧辅助激光对接熔钎焊应力场的影响53-56
• 4.4.1 激光功率对应力场的影响53-54
• 4.4.2 热源间距对应力场的影响54-55
• 4.4.3 电压电流对应力场的影响55-56
• 4.5 电弧辅助激光对接熔钎焊焊接变形分析56-60
• 4.5.1 焊接过程中变形演变56-58
• 4.5.2 焊后残余变形演变58-59
• 4.5.3 焊后残余变形测量和实测结果对比分析59-60
• 4.6 本章小结60-62
• 结论62-64
• 参考文献64-68
• 致谢68-69
• 附录A 攻读学位期间所申请专利和发表的论文69

【参考文献】

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本文编号：972234