镁合金导弹舱体及尾翼DE-GMAW焊接工艺数值模拟

发布时间：2020-11-02 09:35

　　近年来,随着焊接工艺技术的高速发展,传统的焊接方法越来越难满足镁合金这种轻量化的的有色金属结构材料的优质高效的焊接生产要求。许多新型焊接工艺方法陆续被提出来应用在镁合金焊接领域中,双电极气体保护焊就是其中之一,即DE-GMAW(Double-electrode gas metal arc welding)。在DE-GMAW焊接过程中大部分电流作用于焊丝上,使焊丝的熔化系数大幅提升。DE-GMAW焊接系统通过控制副路电弧参数控制母材的热输入,因此,它采用了与其它焊接技术完全不同的原理,并且这种新型的高效焊接方法对焊接设备没有特殊要求,成本较低,适用于镁合金等轻合金难焊金属焊接过程中。镁合金薄板结构焊接技术在武器装备中得到广泛应用,而焊接应力过大导致的焊接变形是影响薄板焊接结构质量的重要因素,因此,通过焊接工艺优化手段提高薄板焊接质量极为必要。随着对焊接热弹塑性理论的研究进展深入,现在利用数值模拟软件对薄壁焊接结构的焊接变形行为进行预测以及对焊接工艺进行优化已趋于成熟阶段。本文采用MSC.marc有限元模拟软件,以AZ31B镁合金导弹舱体环焊缝以及尾翼角焊缝为研究对象,对其DE-GMAW焊接过程进行数值模拟,研究其温度场及应力场的分布规律。本文首先考察单层单道焊与双层双道焊、不同焊接热输入、不同预热温度及焊接层间温度对焊接热循环曲线、焊接温度场及应力场、焊接残余应力的影响规律,结果表明,离焊接热源越近的位置,温度上升速度越快,峰值越高,冷却速度越慢。双层双道焊中,后焊的焊缝金属对先焊的焊缝金属有热处理作用,使残余应力降低,且数值比单层单道焊低。随着焊接热输入的增加,温度峰值也相应提高,塑性变形宽度也随之增加,焊缝的纵向残余应力增大,而横向残余应力增加不明显;预热可以提高整个焊接工件的工作温度,从而缩小焊接工件整体温度与焊接过程中的最高温度差距,所以相应的热应力也随着减小,对减小纵向残余应力有所帮助,而横向残余应力减小幅度较小。本文又对单独一个导弹尾翼两侧角焊缝焊接顺序对结构焊后变形的分布规律进行模拟研究,研究结果表明,四种焊接顺序的模型模拟得到的变形趋势相同,均为尾翼沿Z轴方向收缩以及沿Y轴方向偏移。这四个焊接顺序的尾翼残余变形分别为3.221 mm、2.610 mm、3.573 mm以及2.423 mm;焊接顺序1及焊接顺序3是同时进行相同和相反方向的热源移动,所以它们的横向残余应力较分别进行焊接的顺序2及4的大。焊接顺序1及焊接顺序3的横向残余应力分布趋势波动较大,焊接顺序2及焊接顺序4的横向残余应力曲线较接近且变化趋势相对比较稳定,其中焊接顺序4的焊接变形、等效应力及横向残余应力是四种焊接顺序中最小且变化趋势最稳定。本文最后根据焊接质量最佳的焊接顺序4对导弹全部四个尾翼,八条角焊缝进行数值模拟分析,表明它们的横向残余应力分布趋势基本一致,稳定保持在150 MPa左右,所以这种焊接顺序较为合理。
【学位单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TJ760.5
【部分图文】：

焊接原理