中原板2024鋁合金的焊接工藝研究及數(shù)值模擬.pdf

1、2024鋁合金屬于可熱處理強化鋁合金,廣泛應用于飛機蒙皮、翼梁等受力較大的結構件,而且隨著高新技術的發(fā)展,其應用范圍還在日益擴大。但是由于此類材料具有特殊的焊接性,焊接過程中易出現(xiàn)熱裂紋、氣孔等焊缺陷,獲得的焊接接頭的強度系數(shù)往往較低,使其在實際生產中的應用受到了一定的限制。為了獲得滿足實際使用要求的優(yōu)質焊接接頭,通常要根據(jù)被焊件的結構以及尺寸選擇合適的焊接方法及工藝參數(shù)。本文研究了采用鎢極氬弧焊(TIG)、熔化極氬弧焊(MIG)和真空

2、電子束焊(EBW)三種不同焊接方法對不同厚度的2024鋁合金板焊接接頭性能的影響,并對獲得的焊接接頭組織與性能進行了系統(tǒng)的研究和理論分析,同時對其相關焊接工藝參數(shù)進行優(yōu)化,得到了焊縫表面成形良好和接頭質量優(yōu)良的焊接接頭。同時,文中還基于ANSYS軟件采用雙橢球熱源模型對MIG和EBW焊接溫度場進行了模擬分析,并通過APDL二次開發(fā)語言實現(xiàn)焊接過程中移動熱源的加載和卸載,分析了在不同焊接工藝下接頭溫度場的分布特點,計算結果可為優(yōu)化焊接工藝

3、提供理論指導。
　　 研究結果表明,采用三種焊接方法所獲得的焊接接頭的強度與母材本身的強度相比都有不同程度的下降,其中EBW接頭強度最高,MIG接頭強度次之,而TIG接頭強度最低,但在通常情況下,EBW和MIG焊接頭的強度均能夠滿足實際工程結構應用要求。接頭金相組織觀察顯示,在三種不同的焊接工藝條件下,接頭的焊縫金屬區(qū),電子束焊接工藝下焊縫的顯微組織呈現(xiàn)細小的等軸晶,共晶組織分布更加均勻,而在鎢極氬弧焊和熔化極氬弧焊接工藝下獲得

4、焊縫的顯微組織均呈現(xiàn)等軸枝晶形貌,晶粒尺寸也明顯大于電子束焊縫區(qū)的晶粒尺寸；三種焊接接頭的熱影響區(qū)組織基本呈粗大的柱狀枝晶形貌,但真空電子束焊接頭的熱影響區(qū)組織柱狀晶尺寸相比其他兩種焊接接頭明顯較小。對不同焊接接頭的拉伸斷口進行掃描分析,在TIG焊接頭的斷口表面形貌中可明顯觀察到河流花樣及撕裂棱,呈典型的解理斷裂特征；而在MIG焊和EBW焊接頭的斷口表面發(fā)現(xiàn)有大量的韌窩,并且在部分韌窩底部可以清晰看到有許多細小顆粒,韌窩外側撕裂棱明顯,

5、呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂特征。利用XRD對焊縫接頭進行分析,結果表明三種接頭的焊縫區(qū)都以α-Al相為基,此外,在TIG焊接頭焊縫中發(fā)現(xiàn)存在θ(CuAl2)強化相及單質Si相；MIG焊接頭焊縫中分布有θ(CuAl2)和Mg2Si等強化相；電子束焊接頭焊縫中分布θ(CuAl2)和S(Al2CuMg)等強化相,并通過TEM微觀分析進一步證實了接頭中的強化相主要為θ(CuAl2)相。
　　 利用ANSYS軟件對厚度為8mm的2024鋁合金MI

6、G和EBW焊接溫度場進行模擬分析,計算結果表明,采用雙橢球體熱源模型的模擬計算結果與實際焊接過程較為接近,驗證了所建立的熱源模型的可靠性。對模擬計算的結果進行分析,與實際焊接熔池形貌相比基本吻合。焊接工藝參數(shù)對溫度場的影響分析表明,焊接速度越小,溫度場高溫區(qū)域范圍和同一測量點的峰值溫度越高；焊接功率越大,同一測量點的峰值溫度也越高。
　　 綜合試驗結果表明,采用熔化極氬弧焊和真空電子束焊接方法可實現(xiàn)中厚板2024鋁合金的高質量連