汽车拼焊板组织性能与残余应力磁场调控工艺与机理

摘要

汽车轻量化是汽车的发展方向，也是国家重大科技需求。激光拼焊板是实现汽车轻量化的重要途径之一，目前已在汽车上得到了广泛应用。然而，焊缝组织性能与母材差异较大，严重影响了拼焊板整体的力学性能和成形性能。此外，焊缝及其附近区域内的残余应力最大值可接近母材屈服强度，这会降低车身结构的尺寸稳定性，甚至导致疲劳失效。针对上述问题，本文提出使用交变磁场对汽车拼焊板进行处理，以达到调控其组织性能和残余应力的目的。 主要研究内容如下： 基于ANSYS电磁场仿真模块，建立了汽车拼焊板磁场调控模型，模拟了给定输入电压和频率下的拼焊板内磁场强度分布状态。依据有限元仿真结果，建立了具有磁场强度、频率和时间调节功能的磁场调控试验平台，为后续研究提供了试验条件。 从理论上分析了汽车拼焊板磁场调控工艺参数的取值，运用正交试验对工艺参数进行验证，确定合适的磁场调控工艺参数：磁场强度10000A/m，频率50Hz，时间90s。利用透射电镜、单向拉伸等多种试验手段，研究了磁场调控工艺对汽车拼焊板微观组织和力学性能的影响规律。微观组织观测结果表明，磁场调控前后拼焊板内的马氏体相和铁素体相几乎没有变化，但磁场处理后位错密度增加，并且分布更加均匀。力学性能试验结果表明，经过磁场调控后的拼焊板强度变化不明显，但断后伸长率增加约11.13%；此外，磁场调控后，焊缝区硬度增加约7.21%，母材硬度变化不明显。 研究了磁场调控工艺对汽车拼焊板成形性能的影响规律。通过Erichsen杯突试验对磁场调控前后汽车拼焊板的成形性能进行研究。试验结果表明，磁场处理后的拼焊板成形性能有一定的提升，即IE值提高约为6.94%。从磁场调控后位错形貌和残余应力变化角度揭示了拼焊板成形性能提升的原因。 研究了磁场调控工艺对汽车拼焊板残余应力的影响规律。利用ANSYS多物理场仿真模块，模拟拼焊板焊接残余应力分布状态。通过X射线衍射法对磁场调控前后“关键点”的残余应力测量，分析磁场调控工艺对汽车拼焊板残余应力的影响规律。结果表明，磁场处理能够降低焊接残余应力集中程度，焊缝和焊缝附近的高应力区在沿焊接方向的残余拉应力有明显的降低（降幅约为23.5%~32.9%），其它低应力区域变化不明显，垂直于焊接方向的残余应力绝对值整体变化不大。 研究了基于位错动力学的汽车拼焊板磁场调控机理。根据材料位错理论，分析了连续介质中的位错远程应力场和基于P-N部分离散模型的位错芯的应力场分布；推导了磁场作用下铁磁性材料内部总自由能满足的关系式，并结合材料内部总自由能满足极小值的热力学定律，分析了畴壁的位移和磁化矢量的转动导致的残余内应力变化过程；最后基于位错动力学理论，建立了磁场作用下位错的远程运动方程，以及位错运动和增殖的临界条件表达式，用以揭示汽车拼焊板组织性能和残余应力的磁场调控机理。 本文综合应用铁磁学、位错动力学等基础理论与现代测试技术，揭示了磁场调控工艺的规律和机理，对提升汽车拼焊板组织性能、发展磁场调控技术具有重要的理论价值和实践意义。

目录

声明

第1章 引言

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状及存在的问题

1.3 课题来源、研究目的及意义

1.4 主要研究内容及研究方法

第2章 汽车拼焊板磁场调控理论基础与研究平台

2.1 铁磁性材料理论基础简介

2.2 磁场调控有限元模型的建立

2.3 磁场调控试验平台的建立

2.4 本章小结

第3章 磁场调控工艺对拼焊板组织性能的影响规律

3.1 磁场调控工艺参数的确定

3.2 磁场调控工艺对拼焊板微观组织的影响规律

3.3 磁场调控工艺对拼焊板力学性能的影响规律

3.4 磁场调控工艺对拼焊板成形性能的影响规律

3.5 本章小结

第4章 磁场调控工艺对拼焊板残余应力的影响规律

4.1 拼焊板焊接残余应力有限元仿真建模与分析

4.2 磁场调控前后拼焊板焊接残余应力测试方案设计与结果分析

4.3 磁场调控工艺对拼焊板焊接残余应力的影响规律

4.4 本章小结

第5章 基于位错动力学的汽车拼焊板磁场调控机理

5.1 位错理论简介

5.2 磁场作用下的位错受力环境

5.3 磁场作用下位错运动与增殖机理

5.4 本章小结

第6章 结论

6.1 研究总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的研究成果