【摘要】：復(fù)合材料因具有高比強度、優(yōu)良的疲勞性能等特點而在航空制造領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。Invar合金與復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)相似,通常被用做復(fù)合材料成型模具。大尺寸的飛機復(fù)合材料零件需求大尺寸的成型模具,而Invar合金大型模具難以一次成形,通常采用焊接結(jié)構(gòu)進行生產(chǎn)制造。本文采用試驗與仿真相結(jié)合的方法,研究Invar合金激光-MIG復(fù)合焊熔池流動機理與小孔瞬態(tài)演變過程。首先,基于適度假設(shè),建立復(fù)合焊接流場的數(shù)學(xué)模型,引入VOF方法,求解自由表面,分析蒸發(fā)、凝固和熔化等物理過程。同時,為了配合研究激光-MIG復(fù)合焊熔池與小孔動態(tài)行為,開展相關(guān)焊接試驗:分別對5mm厚的Invar合金進行激光焊接和激光-MIG復(fù)合焊接,觀察熔池形貌;并進一步對19.05mm厚的Invar合金進行激光-MIG復(fù)合焊接,分析各層的深寬比。研究表明,打底焊呈“筆直釘頭狀”,填充焊和蓋面焊呈“高腳杯狀”。其次,建立5mm厚Invar合金激光-MIG復(fù)合焊接二維模型,研究物理參數(shù)與小孔形成的關(guān)系。結(jié)果表明,焊接過程中,熔池在反沖壓力、熱毛細(xì)力和表面張力的共同作用下形成小孔;進一步地,建立復(fù)合焊接三維模型,重點研究小孔形貌、熔池溫度分布以及熔池流動特性,結(jié)果表明,在焊接過程中小孔始終保持張開,小孔壁面溫度最高,達到3150K,小孔壁面附近流體流速較大,最高流速可達0.95m/s以上,小孔壁面附近的液體大多沿著小孔向上流動。并開展相關(guān)試驗對模擬結(jié)果進行驗證。再次,建立5mm厚Invar合金單激光焊接過程流場模型,分析小孔波動增長規(guī)律,與激光-MIG復(fù)合焊接模擬結(jié)果對比。結(jié)果表明,兩者的小孔波動增長規(guī)律基本一致,都可以分為三個階段,但是復(fù)合焊接的小孔波動幅度較小,同時復(fù)合焊接過程中熔滴的加入能夠有效抑制小孔尾端的“后傾”現(xiàn)象。最后,基于已經(jīng)建立的5mm厚Invar合金激光-MIG復(fù)合焊接模型,研究激光功率、焊接速度和電流大小對小孔形成和熔池流動的影響規(guī)律。結(jié)果表明,增大激光功率,小孔后端渦流強度增加,小孔深度加深;增加焊接速度,小孔深度振蕩的幅度降低同時小孔深度和熔池流動速度減小;增大電流強度,有效的增加小孔深度,增大小孔后方熔滴低落處的熔池流速。通過上述的研究,對Invar合金激光-MIG復(fù)合焊接過程中,小孔形成過程與熔池流動行為進行了較為深入的研究,為Invar合金激光-MIG復(fù)合焊接工藝提供了理論依據(jù)。
【圖文】：

過程小孔形成和波動過程進行重點分析。簡介及其焊接研究現(xiàn)狀簡介 Ni 含量為 36%的 Fe-Ni 合金，，在國內(nèi)也叫“殷鋼”或者“殷”[12]。Invar 合金于 19 世紀(jì)末被 Guillaume 在制造大地測量，1920 年諾貝爾物理學(xué)獎授予法國科學(xué)家 Guillaume，也獎的[13]）。隨著溫度變化，F(xiàn)e-36Ni 合金的尺寸有著令人吃度變化而改變。圖 1.1 為 Fe-Ni 合金的熱膨脹系數(shù)隨著鎳，在-200℃-200℃溫度區(qū)間內(nèi)，F(xiàn)e-36Ni 合金擁有較為穩(wěn)定的 11%~20%[14,15]。這是因為鐵鎳合金在 Ni 含量為 36%時結(jié)構(gòu)具有較強的熱穩(wěn)定性能，同時從 Invar 合金化學(xué)成分 C低，可以有效的穩(wěn)定 Invar 合金熱膨脹系數(shù)大小，從而有處理過程[16]。因此，今年來 Fe-36Ni 合金廣泛應(yīng)用于電子以及激光等領(lǐng)域[17]。

圖 1. 3 Invar 合金激光焊接完整焊縫金相連理工大學(xué)的王顯棟等研究人員[33]從試驗和仿真兩方面入手性氣體保護焊接過程。MSC.MARC 軟件（有限元方法）分析應(yīng)力儀測得結(jié)果進行驗證。研究結(jié)果表明：焊縫殘余應(yīng)力值與處縱向應(yīng)力峰值越大，并且對比了焊接殘余應(yīng)力對于 LNG 船疲勞壽命與參與應(yīng)力的關(guān)系，最后發(fā)現(xiàn)疲勞壽命可以通過循環(huán)進行改善。東升等研究人員[34,35]采用 MSC.Marc 模擬軟件對 LNG 船用接過程熱學(xué)和力學(xué)問題的數(shù)值計算，同時對比了液體晃蕩壓力度和 Invar 合金焊縫的疲勞壽命，最終結(jié)果表明，殘余應(yīng)力能述研究現(xiàn)狀可知，對薄板 Invar 合金焊接工藝的探索較多。同有：未熔合、咬邊、未焊透、熱裂紋以及氣孔等；氣孔主要是體保護不良；熱裂紋影響最大，主要是有害元素導(dǎo)致。TIG 焊焊接中，其次依次為激光焊，其中民用飛機復(fù)合材料 Invar 合
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG40

【參考文獻】

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本文編號：2550853