【正文】 在焊接應(yīng)用中依然存在著一些問題,脈沖焊接工藝復(fù)雜,控制方式也比較復(fù)雜,如何有效地控制各類電信號,得到一個合適的脈沖波形是目前來說研究的一個問題之一。本文采用DSP控制技術(shù)設(shè)計了鋁合金PMIG全數(shù)字控制系統(tǒng),獲得了一致性好的脈沖電流波形和穩(wěn)定的焊接過程。不同的基值電流、峰值電流、峰值時間等參數(shù)還可以手動調(diào)節(jié),對于脈沖電流波形控制,實現(xiàn)了對脈沖上升斜率和下降斜率的獨立調(diào)節(jié)。焊接電弧的特性對焊縫的力學(xué)性能、微觀組織、幾何形態(tài)以及組織都有著重要影響。對于脈沖焊接來說工藝參數(shù)很多,工藝參數(shù)之間相互影響,對電弧的影響又不一樣,而且鋁合金對工參數(shù)的變化比起鋼來說更為敏感,所以對工藝參數(shù)的合理選擇至關(guān)重要。在眾多脈沖參數(shù)中,峰值電流、基值電流和峰值時間是鋁合金PMIG焊接過程中極其重要的參數(shù)。針對這一問題,本文通過對鋁鎂合金進(jìn)行PMIG焊接,調(diào)節(jié)不同的脈沖參數(shù),主要研究了在相同平均電流、平均電壓工作條件下,不同峰值電流、基值電流、峰值時間對電弧形態(tài)的影響規(guī)律。通過高速攝影采集系統(tǒng)進(jìn)行采集,可以比較完整地拍攝到清晰電弧形態(tài)和電弧變化過程。結(jié)果表明,電弧長度、電弧寬度和電弧光亮區(qū)面積隨著峰值電流增加而增加,基值電流是維持電弧燃燒的參數(shù),峰值時間對電弧弧長沒有影響,卻顯著影響電弧面積。隨著電源輸出波形控制技術(shù)日益成熟,本研究通過調(diào)節(jié)脈沖上升和下降斜率,改變電流的輸出波形,從而研究了脈沖波形的變化對電弧形態(tài)和電弧挺度的影響。脈沖斜率變化導(dǎo)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科研訓(xùn)練報告致脈沖時間過程中脈沖能量的變化,脈沖能量的變化影響著電弧形態(tài)的變化。同時通過調(diào)節(jié)脈沖上升和下降斜率,實現(xiàn)脈沖焊接電弧挺度硬軟規(guī)范的調(diào)節(jié)。采用軟規(guī)范焊接時電弧燃燒面積大,熔深熔寬較大,而硬規(guī)范焊接電弧比較集中,但是熔深熔寬較小高速列車鋁合金材料焊接熱裂紋傾向研究鋁合金制品具有質(zhì)輕、美觀和耐蝕性好等特點,已成為高速列車車體的首選材料。國產(chǎn)鋁合金高速動車焊接結(jié)構(gòu)在焊接制造加工中,熱裂傾向大,尤其是在熔化焊工藝中,熱輸入量大,熱裂問題非常突出。本文通過一系列試驗和數(shù)值模擬計算,研制了專用試驗裝置,對高速列車A6N01S鋁合金材料的焊接熱裂紋傾向性形成和機(jī)理進(jìn)行了深入研究。通過對熱裂紋斷口橫截面掃描電鏡觀察、縱向載面能譜分析、高溫?zé)崮M試驗下的斷口觀察,證實A6N01S鋁合金焊接熱裂紋形成的微觀機(jī)制是:在焊縫中心冷卻后期的液態(tài)薄膜和焊接升溫過程中熱影響區(qū)內(nèi)第二相Mg2Si組分液化形成的液態(tài)薄膜,在較小的外加應(yīng)力作用較快的加載速度下,發(fā)生晶界分離導(dǎo)致開裂。在相同外界的應(yīng)力拘束條件下,不同材料的熱裂紋敏感性決定因素是其高溫的塑性儲備。根據(jù)焊接熱裂紋的產(chǎn)生的冶金機(jī)理和力學(xué)條件,設(shè)計了專用快速測試材料熱裂紋傾向性的裝置,通過試驗測試,證明研制的焊接熱裂紋傾向測試裝置具有簡便、快速、高精度、定量等一系列優(yōu)點,可以定量檢測出母材、焊絲與母材匹配的熱裂傾向,具有很好的通用性和實用性。通過數(shù)值模擬中溫度場分析與試驗溫度場的測量進(jìn)行比較,驗證了兩者的一致性,并確定了試驗裝置在試驗中的相關(guān)參數(shù)。在已知熱裂傾向的材料試驗中,驗證了裝置測試的準(zhǔn)確性。利用研制的熱裂紋傾向試驗裝置,對日本產(chǎn)Jk、國產(chǎn)KNM3四種A6N01S鋁合金材料焊接熱裂紋傾向性進(jìn)行了檢測和評定,結(jié)果表明日本材料Jk的裂紋總長度及最大裂紋長度在四種材料中處于較低水平,且裂紋總長度隨變形速率變化不明顯,是四種材料中熱裂紋傾向最低的材料。利用自行研制的專用裝置進(jìn)行了系列裂紋傾向檢測試驗,在不同試驗速度區(qū)間內(nèi),形成了選材的標(biāo)準(zhǔn)。鋁合金焊接應(yīng)力變形數(shù)值模擬研究及應(yīng)用本文以863課題航天筒體結(jié)構(gòu)的焊接數(shù)值模擬研究為背景,采用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的研究路線,開展了焊接數(shù)值模擬精確建模研究以及高效計算研究,并對實際生產(chǎn)中應(yīng)用的航天筒體結(jié)構(gòu)焊接變形進(jìn)行了實驗測量與數(shù)值模擬。在數(shù)值模擬基礎(chǔ)上進(jìn)行了航天筒體結(jié)構(gòu)焊接工藝優(yōu)化,提出了減小航天筒體結(jié)構(gòu)焊后沿母線下凹變形的工藝措施,并得到了實驗結(jié)果的正確驗證。焊接數(shù)值模擬精確建模研究包括精確材料模型的建立,以及夾具拘束作用模型的建立。通過熱力學(xué)模擬實驗,系統(tǒng)研究了焊接熱循環(huán)溫度歷史對兩種有代表性的鋁合金材料屈服強(qiáng)度的影響,建立了材料性能依賴于溫內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科研訓(xùn)練報告度及溫度歷史的材料模型,提高了焊接數(shù)值模擬的計算精度。在夾具拘束作用模型中,將夾具和墊板作為彈塑性體包含在焊接數(shù)值模擬幾何模型中,并將其與被焊試樣之間的相互作用定義為接觸對,分析了夾具及墊板與被焊試樣之間相互作用的不同處理方式對被焊試樣焊接應(yīng)力與變形的影響。利用移動溫度函數(shù)法以及解析法與有限元法相結(jié)合的方法,分別開展了焊接數(shù)值模擬高效計算研究。利用移動溫度函數(shù)法,將大型筒體結(jié)構(gòu)焊接數(shù)值模擬的計算時間縮短至有限元順序耦合法的1/3,而且能夠保證焊接數(shù)值模擬的計算準(zhǔn)確性。將解析法與有限元法相結(jié)合,在ABAQUS軟件中同步完成了焊接溫度場與焊接應(yīng)力應(yīng)變場計算,與有限元順序耦合法相比,在保證計算準(zhǔn)確性的前提下,將焊接數(shù)值模擬總計算時間和總CPU時間均節(jié)約40%以上。采用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的研究方法,進(jìn)行了航天筒體結(jié)構(gòu)焊接變形研究。開展了不同尺寸與結(jié)構(gòu)形式航天筒體結(jié)構(gòu)的焊后殘余變形預(yù)測,焊接驗證實驗證明了數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用數(shù)值模擬與實驗研究相結(jié)合的分析方法,發(fā)現(xiàn)航天筒體結(jié)構(gòu)焊后沿母線的下凹撓曲變形主要由焊縫的橫向收縮引起。針對焊縫橫向收縮的特點,開展了基于數(shù)值模擬的航天筒體結(jié)構(gòu)焊接工藝優(yōu)化,提出了減小筒體結(jié)構(gòu)焊后沿母線下凹變形的工藝方案,并得到了實驗結(jié)果的正確驗證。鋁銅系合金焊接接頭應(yīng)力腐蝕與焊接工藝相關(guān)性的研究鋁合金結(jié)構(gòu)在焊接時,由于焊接熱循環(huán)的作用,不可避免地帶來了因過時效而導(dǎo)致接頭熱影響區(qū)的軟化(即固溶相分解析出)現(xiàn)象,不僅使得接頭的強(qiáng)度性能降低,同時由于組織的不均勻性和貧銅區(qū)的形成,易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕破壞,也使接頭的應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)敏感性顯著增大,這是固溶強(qiáng)化型鋁合金長期以來一直未獲解決的工程實際問題。因此,研究鋁合金焊接接頭的腐蝕失效特性,分析導(dǎo)致腐蝕失效的影響因素,對于提高航天鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的長期性能具有十分重要的工程實際意義。本文通過進(jìn)行宏觀力學(xué)試驗、慢應(yīng)變速率試驗及采用斷口掃描電鏡、金相觀測輔助技術(shù),研究了2012219鋁銅系合金及其在不同焊接條件下(變極性TIG焊、高頻TIG復(fù)合焊、大功率激光TIG復(fù)合焊、激光TIG復(fù)合焊,激光高頻TIG復(fù)合焊)的焊接接頭力學(xué)性能與應(yīng)力腐蝕開裂敏感性對比,提出焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性與焊接方法相關(guān)性的證據(jù),并得到一種能保證接頭高強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性能的較理想的焊接工藝。試驗結(jié)果顯示,小功率激光和高頻脈沖能量可有效減少甚至消除接頭焊縫熔合區(qū)氣孔缺陷,并且由于高頻脈沖的強(qiáng)烈攪拌作用,可打碎生長中的枝晶,促使接頭熔合區(qū)形成細(xì)晶帶。與變極性TIG焊相比,激光TIG復(fù)合焊、高頻TIG復(fù)合焊、激光高頻TIG復(fù)合焊可以顯著提高焊接速度,減少熱輸入,細(xì)化焊縫組織,減少晶界共晶組織寬度,從而顯著改善和提高接頭的力學(xué)性能與抗應(yīng)力腐蝕性能。2219鋁合金五種焊接接頭內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科研訓(xùn)練報告抗應(yīng)力腐蝕性能差異較大,其中大功率激光TIG復(fù)合焊接頭延伸率最低,開裂敏感性最高。激光高頻TIG復(fù)合焊接頭平均斷裂時間明顯大于變極性TIG焊接頭,且已達(dá)到2219母材的94%左右,抗應(yīng)力腐蝕性能最好。然而對于2014鋁合金接頭,五種焊接接頭該項指標(biāo)至多達(dá)到2014母材的60%。在相同的焊接條件下采用高頻或者激光復(fù)合的效果并不理想,雖然焊縫組織有所細(xì)化,但晶界附近貧銅區(qū)分布不及2219接頭組織均勻,開裂敏感性增加。因此,需要有針對的進(jìn)一步研發(fā)適用于2014鋁合金的復(fù)合焊工藝。2024與7075異種高強(qiáng)鋁合金激光填絲焊接技術(shù)研究2024和7075鋁合金是兩種可熱處理高強(qiáng)鋁合金,目前廣泛應(yīng)用在對材料比強(qiáng)度要求較高的機(jī)身蒙皮、翼梁,汽車及軌道交通的制造等領(lǐng)域。兩種鋁合金的廣泛應(yīng)用不可避免的出現(xiàn)二者之間連接的問題,鉚接等機(jī)械連接方式增加了結(jié)構(gòu)重量,而2024使用傳統(tǒng)電弧焊可焊性不高,7075則不被推薦采用電弧焊。激光焊接能量密度高、加熱冷卻速度快等特點成為鋁合金焊接較優(yōu)的選則。但是,在高功率密度作用下產(chǎn)生的小孔并不能穩(wěn)定存在,尤其對于含Mg、Zn較多的7075鋁合金,小孔非常不穩(wěn)定。為解決兩種鋁合金焊接過程不穩(wěn)定性問題,本文將使用填充焊絲的方法對兩種鋁合金進(jìn)行對接實驗研究,并測試分析焊縫組織及性能。本文研究了焊接工藝對過程不穩(wěn)定性的影響,并探討了產(chǎn)生影響的機(jī)理。通過高速攝像對熔滴過渡過程進(jìn)行研究,認(rèn)為激光直接加熱及熱傳導(dǎo)是焊絲熔化的主要加熱機(jī)制。這種加熱機(jī)制導(dǎo)致不同光絲間距下熔滴過渡方式的改變,當(dāng)光絲間距為0時熔滴過渡穩(wěn)定。通過分析高速攝像得到的不同送絲速度熔滴過渡及等離子體面積的變化,認(rèn)為熔滴對熔池具有調(diào)節(jié)能量分配維持小孔前壁穩(wěn)定的作用,提高送絲速度會提高熔滴過渡頻率,穩(wěn)定焊接過程。針對不同類型氣孔研究了焊前清理方法對氫氣孔的影響以及工藝對工藝氣孔的影響。物理清理比化學(xué)清理方法降低氫氣孔的作用更加明顯。激光偏轉(zhuǎn)及在熔透焊條件下提高送絲速度都會降低氣孔率。通過金相分析技術(shù)、SEM/EDS技術(shù)、拉伸試驗及顯微硬度測試等手段分析了2319及4043焊絲焊接的焊縫微觀組織、微區(qū)元素,斷口形貌、拉伸強(qiáng)度以及顯微硬度。討論了熱影響區(qū)過燒現(xiàn)象、熔合線附近柱狀晶區(qū)、V字形粗晶區(qū)、粗大樹枝狀晶粒組織出現(xiàn)的原因。比較了使用兩種填充焊絲時焊縫力學(xué)性能,比采用4043焊絲的焊縫較高,但塑韌性較差。此外,研究焊縫斷裂位置及斷口形貌,發(fā)現(xiàn)各區(qū)域組織對焊縫斷裂產(chǎn)生了一定規(guī)律的影響。LY12鋁合金激光電弧復(fù)合焊接工藝研究內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科研訓(xùn)練報告鋁合金由于密度小、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱率高、機(jī)械加工性能好，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。但是，鋁合金，尤其是高強(qiáng)鋁合金焊接存在一定難度。激光MIG電弧復(fù)合焊接技術(shù)擁有的焊接熔深大、焊接速度快、工藝穩(wěn)定性好等優(yōu)點，對于解決鋁合金焊接難題具有一定優(yōu)勢。因此，鋁合金激光MIG電弧復(fù)合焊接研究對鋁工業(yè)發(fā)展具有重要意義。本文針對航空航天中廣泛應(yīng)用的LY12高強(qiáng)鋁合金，開展了激光MIG電弧復(fù)合焊接的研究，主要結(jié)論如下：。研究結(jié)果表明，鋁合金復(fù)合焊縫熔深和熔寬均隨激光功率和電弧能量的增大而增加，且隨焊接速度的增大而減小。，高焊接速度會增加焊縫裂紋傾向。此外，試驗得到了能夠獲得良好焊縫成形的保護(hù)氣體具體參數(shù)：同軸保護(hù)氣體為He，流量為15 L/min；旁軸保護(hù)氣為80%Ar+20%He，流量為25 L/min。研究結(jié)果表明，裂紋是LY12高強(qiáng)鋁合金復(fù)合焊焊縫的主要缺陷。裂紋主要分為焊縫中心結(jié)晶裂紋、熔合線裂紋、氧化膜氣孔裂紋和顯微裂紋，其中，焊縫中心結(jié)晶裂紋出現(xiàn)的最為普遍。實驗證明，降低電弧電壓和焊接速度可以抑制結(jié)晶裂紋；采用ER4043焊絲能夠通過增大液態(tài)熔池流動性實現(xiàn)抑制結(jié)晶裂紋的目的，此外，填充鈦合金粉末也有利于抑制結(jié)晶裂紋。在LY12高強(qiáng)鋁合金復(fù)合焊接接頭顯微組織及力學(xué)性能的研究中得到，焊縫區(qū)顯微硬度明顯低于母材，由母材到焊縫中心的顯微組織依次為柱狀枝晶、等軸枝晶和樹枝晶。對焊縫進(jìn)行熱處理后，焊縫區(qū)枝晶熔解，晶粒有一定程度長大，晶內(nèi)有沉淀強(qiáng)化相析出，其顯微硬度接近母材。，%和80%。車制造廠焊接車間置換通風(fēng)氣流組織優(yōu)化數(shù)值研究近年來,汽車制造工業(yè)飛速發(fā)展,并已成為我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。鋁合金在汽車制造中被廣泛應(yīng)用,其焊接技術(shù)是現(xiàn)代汽車制造工藝中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。MIG焊是實現(xiàn)鋁合金加工的一種重要方法,但其焊接過程伴隨著大量鋁合金焊接煙塵的產(chǎn)生,其主要成分為Al2O3,會對人體的健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害。因此需要在鋁合金焊接車間設(shè)置通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),對車間內(nèi)煙塵的濃度加以控制,以改善焊工的勞動作業(yè)環(huán)境,提高生產(chǎn)效率。現(xiàn)代汽車制造廠鋁合金焊接車間跨度大、高度高,車間內(nèi)焊點處熱與污染同時發(fā)生,這些特點使得焊接車間很適合采用置換通風(fēng)方式進(jìn)行通風(fēng),這樣一來,車間內(nèi)下部活動區(qū)空氣清新,上部非活動區(qū)空氣污染較嚴(yán)重,存在著熱力分層。但是,置換通風(fēng)空調(diào)房間的氣流組織方案會對其通風(fēng)效果產(chǎn)生很大的影響。在相同的設(shè)計參內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科研訓(xùn)練報告數(shù)下,不同的方案將會在室內(nèi)形成不同的溫度、速度、相對濕度及污染物濃度分布,而影響到通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運行效果。合理的氣流組織方案是有效控制鋁合金焊接車間內(nèi)焊接煙塵濃度、保證車間內(nèi)部達(dá)到焊接生產(chǎn)工藝所要求的溫度、濕度、氣流速度的先決條件。因此,本文針對某汽車制造廠鋁合金焊接車間,結(jié)合車間內(nèi)焊點的空間布局,確定了A、B兩種置換通風(fēng)氣流組織方案。方案A為在焊接車間跨的一側(cè)和跨中部的安全通道處各設(shè)置一排送風(fēng)口,方案B則僅在焊接車間跨的一側(cè)設(shè)置一排送風(fēng)口,兩種方案的回風(fēng)口均設(shè)置在車間頂部。采用FLUENT軟件對A、B兩種方案在夏季工況下車間內(nèi)的污染物濃度、氣流速度、溫度、壓力場進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果分析表明,采用方案A車間內(nèi)的通風(fēng)氣流組織效果優(yōu)于方案B。接著,針對方案A,在送、回風(fēng)口尺寸不變、送風(fēng)溫度及濕度參數(shù)不變的情況下,對不同通風(fēng)換氣次數(shù)下的通風(fēng)效果進(jìn)行了數(shù)值模擬,通過結(jié)果的比較分析,提出了方案A的最佳通風(fēng)換氣次數(shù)為2次／h。A7N01鋁合金焊接接頭的組織及力學(xué)性能A7N01鋁合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能和焊接成形性能,在高速軌道列車的底架設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。本文針對國產(chǎn)A7N01鋁合金焊接接頭展開研究,主要研究A7N01鋁合金焊接接頭的組織及力學(xué)性能。試驗所用焊接接頭的坡口形式有對接V形、對接單邊V形和對接K形三種,從以下幾個方面對其進(jìn)行試驗研究：首先對三種焊接接頭進(jìn)行金相試件的制作,之后對其進(jìn)行組織的宏觀分析、微觀分析和硬度分析。其次對三種焊接接頭及母材進(jìn)行靜力學(xué)拉伸試驗和沖擊試驗。最后對三種焊接接頭進(jìn)行疲勞試驗及數(shù)據(jù)分析,對疲勞強(qiáng)度較低的焊接接頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過對以上幾個方面的試驗數(shù)據(jù)分析,獲得每種坡口形式焊接接頭的各項力學(xué)性能及其影響因素。在有限元分析的基礎(chǔ)上,對疲勞強(qiáng)度較低的試驗件進(jìn)行不同方法的優(yōu)化設(shè)計,分析對比優(yōu)化設(shè)計前后的試驗結(jié)果,從而得出不同的優(yōu)化設(shè)計方法對試驗件疲勞強(qiáng)度提高的幅度。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科研訓(xùn)練報告 研究內(nèi)容與預(yù)期研究成果 研究目標(biāo) 主要研究內(nèi)容 預(yù)期研究成果主要參考文獻(xiàn)