20mm厚6063铝合金TIG焊接应力场模拟开题报告

天津理工大学本科毕业论文开题报告 届： 2013 学院（系）：材料科学与工程 专业：材料成型及控制工程 2013 年 03 月 06 日 毕业 论文题目 20mm 厚 6063 铝合金 TIG 焊接应力场模拟 学生姓名 学号 指导教师 职称 （报告内容包括课题的意义、国内外发展状况、本课题的研究内容、研究方法、研究手段、研究步骤以及参考文献资料等。） 1. 本课题研究的意义 铝及铝合金具有质量轻 、 延展性好 、 易成形 、 热稳定好 、 抗腐蚀和再生性好等一系列优点 ,在国民经济建设中 广泛应用于飞机、舰船、 武器、火车、汽车等结构中。但在采用传统的熔化焊接方法进行焊接时 ,焊缝易产生翘曲变形、表面氧化、热裂纹、气孔、合金元素烧损和焊缝区软化等问题。 钨极氢弧焊 , 简称 TIG焊（ Tungsten Inert Gas Are Welding） , 是一种现代的焊接方法。由于它具有电弧稳定、无飞溅、焊接质量好 ， 焊缝纯净、成形美观、热影响区小 等优点 ，可以焊接例如镍合金、铝合金、钦合金等几乎所有合金或金属等诸多优点 , 自 20世纪以来 ,该技术已被广泛地应用于工业的各个领域。但 TIG 焊也有自身的缺点 , 如焊接速度慢 , 焊接熔深浅 , 熔敷效率低等 , 导致 TIG 焊接只适用于薄壁制件 , 影响了生产效率 , 故应用受到了限制。因此 , 在保留它原有优点的基础上 , 提高其焊接材料厚度范围以及研究其用于焊接厚壁铝合金时焊缝部位的应力场等各种变化成为亟待解决的问题。本课题 针对提高铝合金电机外壳焊接质量，研究掌握新能源电动汽车自循环水冷却铝合金电机壳体自动焊接过程中应力的分布规律，为自循环水冷却铝合金电机壳体挤压成形技术与端面自动焊接密封技术结合生产新能源汽车电机壳体成为一种新技术提供一定的依据。 2. 国内、外发展状况 铝合 金 材料虽早已经在汽车上应用， 但是进展缓慢。比如美国汽车上使用的铝合金只占汽车自身质量的。其最主要的原因是这些铝合金的成本太高 、焊接时焊缝易产生翘曲变形以及表面氧化等缺陷 。尽管如此，随科学技术和汽车工业的发展铝合金仍被日益推广，铝合金零件的品种日益增多，尤其是车身零部件。现在几乎所有的世界各大汽车公司都争相开发铝合金车身零部件或全铝车身，而且近期取得了显著成效。 TIG 焊接是现代工业制造的一种重要的焊接方法 。 它以燃烧于非熔化极电极与焊件间的电弧作为热源 ， 电极和电弧区及熔化金属都用一层惰性气体保护 ， 使之与空气隔离 。 在焊接过程 中可以填丝也可以不填丝 。 焊接过程中可用手动进行 ，也可以自动化 ， 前一种应用更为广泛 。 由于铝及铝合金化学性质活泼 ， 表面易形成氧化膜 ， 再加之导热性强 ， 给其 TIG 焊接带来不少困难 ， 经过科研工作者的努力 ， 铝合金的 TIG 焊也已广泛得到应用 。 自 1930 年以来，各国工程技术人员就开始了有关焊接残余应力和变形的研究，产生焊接应力和变形的根本原因是焊接过程中由于局部热输入而导致不均匀的温度场。 1940 年，前苏联的奥凯尔勃洛姆对焊接残余应力和变形的起因和分类进行了研究，建立了确定焊接残余应力和变形的理论方法。因力学机理较复 杂，故 1960 年之前所进行的研究都是基于试验和对简单情况的分析。焊接数值模拟技术最早是在 1962 年，丹麦人首次用计算机有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算，进入 20 世纪 70 年代后，更多的国家加入到这个研究行列，并从铸造逐步扩展到锻压、热处理、焊接。随着计算机的飞速发展，由于其具有非常强大的数学计算和逻辑推理能力，使焊接技术人员得以应用计算机辅助技术分析焊接中的应力和变形，并能获得各种形式焊件的残余应力分布和变形，加强了对复杂焊接现象的认识。 在 20 世纪 70 年代初，日本的上田幸雄等首先以有限元法为基础，提出了 焊接热弹塑性分析理论，从而使复杂的动态焊接过程的应力应变分析成为可能。随后，许多国家的研究者加入到焊接数值模拟的研究行列，建立的数值模型从一维发展到二维，再到目前重点研究的三维；模拟对象从简单的平板堆焊、对接焊到角焊缝，再到目前的研究热点多道焊；研究内容从焊接接头的收缩变形到角变形，再到大型复杂焊接结构的整体变形。数值模拟作为一种强有力的定量研究手段，不仅可以用来帮助理解焊接现象的本质，预测残余应力和变形，国内外的研究者们还以此为工具，研究控制和减小残余应力，优化焊缝质量的工艺方法。这样，数值模拟技术既有重 要的科学技术意义，又能产生重大的经济效益，广泛受到科研、企业及国家相关部门的重视。 而国内在 20 世纪 80 年代初才开始焊接数值模拟方面的研究工作，近些年来很多的科研单位和个人投入到了这项研究中，也取得了不少研究成果。西安交通大学和上海交通大学较早开展了焊接传热和热弹塑性应力分析并做了许多工作。最近上海交通大学在三维焊接问题分析中取得了很大的进展，并在实际工程中得到了成功的应用；清华大学进行了辅助热源影响焊缝应变规律的数值分析；哈尔滨工业大学、山东大学和甘肃工业大学在焊接熔池和电弧物理方面进行了数值研究；大连铁 道学院在焊接传热、组织性能预测和氢扩散方面进行了研究。上述的研究不少是和国外合作进行的。 数值模拟的准确性，首先决定于数学模型的正确性，这需要大量的实验研究做基础；其次是各物性参数的准确性；最后还要有可靠的算法。由于各种铝合金材料的物性参数资料非常缺乏，影响了数值模拟工作的深入。总体上来讲，我国的淬火过程数值模拟与国外相比，无论在理论研究方面还是在工业应用方面都存在着一定的差距。因此对铝合金焊缝的应力场进行模拟、研究铝合金的焊接工艺以及铝合金在各个领域中使用时性能的变化有着广阔的发展前景。 3. 本课题的 研究内容 （ 1） 在查阅文献 、调研的基础上了解高强度铝合金 TIG 焊接技术的优点及工艺流程。针对所选择的 6063 铝合金材料的性能及使用条件，选择合理、可靠的 TIG焊接工艺 以及 制定合理的试验参数，采用有限元模拟的方法模拟分析 20mm 厚6063 铝合金 TIG 焊接应力场的变化情况； （ 2）对试样进行加工及 TIG 焊接处理，在实验过程中了解 TIG 焊接处理对试样性能的影响 (例如 :显微组织、硬度、高频疲劳、应力场变化情况 )； （ 3） 分析、总结试样的性能实验结果以及模拟结果，得出结论。、 4. 本课题的研究手段及步骤 研究手段： （ 1）针 对试样进行表面清理及其它焊前预处理 选择合理、可靠的焊接工艺 以及 制定合理的焊接试验参数。 （ 2）针对试样进行焊接试验 （ 3）对试样进行性能测试，并分析 （ 4）利用 ANSYS 有限元模拟的方法对焊接的应力场进行数值模拟 （ 5）将实验测得的现象与模拟数值作比较分析焊接后的应力场变化情况。 研究步骤： 2012.11.11 2013.01.16 查阅文献 2013.01.17 2013.02.24 准备开题报告 2013.02.25 2013.03.26 进行 TIG 焊接焊缝性能测试 2013.03.27 2013.05.15 分析试验测试结果 2013.05.15 2013.06.15 撰写论文 ,准备答辩 5. 主要参考文献 1 吴言高，李午申，邹宏军，冯灵芝焊接数值模拟技术发展现状 J焊接学报， 2002， 23(3)： 89 93 2 李开泰，董艾香，黄庆怀有限元方法及其应用 M北京：科学出版社， 2006，2 3 黄旺福 ， 黄金刚 铝及铝合金焊接指南 M 长沙 ： 湖南科学技术出版社 ，2004 4 周万盛，姚军山铝及铝合金的焊接 M北京：机械工业出版社， 2006 5 杨宗辉 ， 孙孝纯 铝合金的现代焊接技术 J 电焊机 ， 2003， 33（ 12）：1-5 6 D A Tann