鋁-鋼結(jié)構(gòu)增材連接界面行為及磁場(chǎng)作用機(jī)制研究.pdf

1、鋁/鋼連接結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高以及良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，因此在航天、汽車等工業(yè)部門有很多潛在的應(yīng)用。但是，目前有關(guān)鋁/鋼連接的方法多局限于規(guī)則的板材結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁/鋼實(shí)際應(yīng)用部件的連接。本文則主要基于增材制造的思想，采用電弧增材制造的方式研究了任意形狀鋁/鋼結(jié)構(gòu)的直接制造方法，并對(duì)外加磁場(chǎng)和引入夾層體系下的增材結(jié)構(gòu)界面連接行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　文中首先進(jìn)行了電弧增材制造系統(tǒng)的搭建工作。采用冷金屬過渡焊接電源和

2、六軸串聯(lián)機(jī)器人手臂作為硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并基于MATLAB軟件編寫了適用于電弧增材制造的切片算法和軌跡規(guī)劃方式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了與機(jī)器人匯編語言的轉(zhuǎn)換通訊。通過對(duì)指定模型結(jié)構(gòu)的增材制造實(shí)際驗(yàn)證，所搭建的電弧增材制造系統(tǒng)可以完好實(shí)現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的增材制造功能，制造件表面及外輪廓成形平整、連續(xù)。
　　通過對(duì)單道焊縫成形特征的研究，獲得了鋁合金、不銹鋼材料電弧增材制造的最佳成形工藝范圍。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高電弧增材制造的表面成形精度，建立了電弧增材制

3、造中多層多道相鄰焊縫的位置關(guān)系數(shù)學(xué)模型。通過對(duì)指定工藝參數(shù)下單道焊縫外輪廓形貌函數(shù)的精確提取，計(jì)算得到了相鄰焊縫之間的最佳橫向偏移量和層間提升高度值，為切片和填充模塊提供了準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)支持。為了表征增材制造部件內(nèi)部的微觀組織和力學(xué)性能，分別對(duì)鋁合金、不銹鋼材料進(jìn)行了墻體試樣電弧增材制造。研究發(fā)現(xiàn)，成形墻體內(nèi)部均勻、致密，無氣孔、裂紋等缺陷產(chǎn)生，并表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能，但是在墻體內(nèi)部不同成形方向上的拉伸試件表現(xiàn)出微小的力學(xué)性能差異。

4、r>　　采用純鎳和紫銅作為中間過渡層材料實(shí)現(xiàn)了鋁/鋼結(jié)構(gòu)的一體式增材制造，并分別研究了鋁合金與鎳、銅在冷金屬過渡焊接模式下的界面連接結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。鎳/鋁界面連接結(jié)構(gòu)由Ni基體/Ni3Al-Ni0.9Al1.1-Ni2Al3-NiAl3/Al焊縫構(gòu)成，接頭最大拉剪強(qiáng)度可以達(dá)到42MPa；銅/鋁側(cè)界面連接結(jié)構(gòu)主要由Cu基體/Cu9Al4-Cu3Al2-CuAl2/Al焊縫構(gòu)成，接頭拉剪性能可以達(dá)到98MPa。當(dāng)采用電弧增材制造鋼-夾層-鋁

5、墻體結(jié)構(gòu)件時(shí)，鋁合金與鎳、銅的界面連接處是成形試樣的薄弱環(huán)節(jié)，其中采用鎳夾層時(shí)的抗拉強(qiáng)度為54MPa，采用銅夾層時(shí)的抗拉強(qiáng)度為36MPa。為了進(jìn)一步提高異種金屬界面處的連接強(qiáng)度，文中在異種金屬焊接過程中引入了外加縱向磁場(chǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，外加磁場(chǎng)使得電弧做定向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并增加了電弧與基板表面的接觸面積，同時(shí)熔滴過渡行為也由無磁場(chǎng)時(shí)的球滴狀過渡向扁平狀過渡轉(zhuǎn)變。此外，外加縱向磁場(chǎng)還可以明顯的改善鋁合金在鋼、鎳、銅表面焊接時(shí)的潤濕鋪展行為，增大界

6、面連接處的有效接觸面積。在異種金屬連接界面處，施加磁場(chǎng)可以明顯起到抑制脆性金屬間化合物生長的作用，使得界面連接強(qiáng)度得到了顯著的提高。并且隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，接頭的連接強(qiáng)度呈現(xiàn)遞增的變化趨勢(shì)。將外加磁場(chǎng)引入到鋼-夾層-鋁電弧增材結(jié)構(gòu)制造時(shí)，試樣最大抗拉強(qiáng)度提高至78MPa，與鋁鋼直接增材制造相比提高了近70％。
　　最后以鋁/鋼連接為例，采用ANSYS軟件建立了縱向磁場(chǎng)作用下焊接過程模擬模型。并從材料熱力學(xué)和界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)

7、，分析了外加磁場(chǎng)對(duì)異種金屬連接界面處化合物層生長行為的作用機(jī)理。結(jié)合模擬結(jié)果可知，縱向磁場(chǎng)的引入可以改變電弧等離子體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并最終影響了電弧形態(tài)以及電弧在熔池和基板表面的熱量傳導(dǎo)行為。施加磁場(chǎng)后，熔池高溫區(qū)域由中心向四周側(cè)移，使得鋁/鋼界面前沿的反應(yīng)溫度和高溫停留時(shí)間發(fā)生下降，從而減小了鋁液前沿處鐵原子的濃度。同時(shí)，磁場(chǎng)的引入還改變了熔池內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)和傳熱傳質(zhì)行為。熔池內(nèi)部由無磁場(chǎng)作用時(shí)的單一環(huán)流，轉(zhuǎn)變?yōu)橛写艌?chǎng)作用時(shí)的雙環(huán)流流動(dòng)特