钢/铝异种金属激光深熔焊接数值模拟与实验研究

摘要

节能、环保和安全是未来汽车工业的发展方向。汽车轻量化是实现这些要求的重要技术途径之一。目前实现汽车轻量化的主要措施是大量高强度轻质材料的使用，如铝合金、镁合金、塑料及复合材料等。这导致汽车工业中异种金属的连接越来越多，因此必须掌握钢/铝等异种金属的连接工艺以满足应用的要求。但是钢与铝的物理和化学性能存在着巨大的差异，这导致钢/铝异种金属焊接存在着巨大的技术难点。
　　本文分析了钢/铝异种金属焊接的难点和问题。对焊接温度场进行了模拟仿真，以优化焊接工艺。对钢/铝异种金属激光深熔焊接进行了工艺试验。
　　首先，论述了激光焊接技术的作用机理、特点及其应用，分析了钢/铝异种金属焊接和计算机模拟仿真的研究现状。
　　其次，搭建了钢/铝异种金属激光深熔焊接的实验平台，确定了焊接工艺参数。
　　再次，对钢/铝异种金属激光深熔焊接进行了模拟仿真研究。采用ANSYS软件进行焊接温度场的数值模拟，经建立几何模型、网格划分、加载热源模型、确定边界条件、后处理等一系列步骤得到了焊接温度场。基于模拟仿真得到的焊接过程中不同时刻的温度场分布云图和焊接试件表面结点的焊接热循环曲线，分析了激光功率和焊接速度等焊接工艺参数对温度场的影响规律。通过模拟仿真结果与实验结果的对比，验证了仿真计算的正确性。
　　最后，开展了钢/铝异种金属光纤激光对接焊实验研究，获得了较佳的焊接工艺参数。比较了添加和不添加Ni元素时的焊缝形貌，研究了合金元素Ni对焊缝成型性能的影响。采用单因素法，研究了不同工艺参数（激光功率、焊接速度、离焦量）对焊接质量的影响规律。观测了焊缝的金相组织，测量了焊接接头的抗拉强度。对焊接过程中常见的焊接缺陷的产生原因进行了分析，提出了相应的防治措施。

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符号表

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 激光焊接技术概述

1.3 异种金属的焊接

1.4 铝-钢异种金属焊接技术的发展现状

1.5 钢/铝激光焊接的研究现状

1.6 激光焊接数值模拟研究现状

1.7 本文的主要研究内容

第2章 钢/铝激光焊接实验装置

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 焊接工艺过程

2.4 工艺参数设计

2.5 本章小结

第3章 钢/铝激光深熔焊接温度场模拟模型建立

3.1 热传递模型

3.2 ANSYS简介

3.3 激光焊接导热计算模型

3.4 激光焊接温度场模拟计算

3.5 本章小结

第4章 焊接温度场模拟结果

4.1 焊接温度场分布云图

4.2 焊接热循环曲线

4.3 工艺参数对温度场模拟结果的影响

4.4 镍片对于焊接温度场的影响

4.5 本章小结

第5章 钢/铝激光对接焊实验结果分析

5.1 钢/铝异种金属焊接的难点

5.1 加入和不加镍片焊缝表面形貌对比

5.2 焊接工艺参数的影响

5.3 焊接接头性能测试

5.4 常见的焊接缺陷及原因分析

5.5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)