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钢铝激光焊接热应力场数值模拟研究

【摘要】:近年来以铝合金为首的多种轻型材料在汽车制造、航空航天、轨道交通中的应用越来越广泛。全球范围内,随着轻量化的发展,近年来,铝的年增速达到了6%以上,而在汽车行业中铝的需求量超过了8%。轻型材料的使用,大大减少了燃油消耗,汽车车身轻量化的实现将会涉及到异种材料的连接,特别是钢铝异种金属之间的组合。由于钢铝异种材料的物理和化学性能差异明显,用常规的方法不易获得良好的焊缝,而激光焊接具有焊接速度快、生产效率高、能量密度大等优点,逐步代替了铆接、爆炸焊接或者摩擦焊,得到汽车以及其他行业的广泛使用。针对DP780镀锌钢和6016铝合金的材料特性,选择较佳的一组工艺参数,设置激光焊接参数为:激光功率1400W,焊接速度0.02m/s,基于有限元软件ANSYS中的APDL语言,构建钢铝激光搭接焊模型,采用镀锌钢板在上,6016铝合金板在下的搭接模式,利用高斯热源模型,分别从沿焊缝方向、垂直焊缝方向、纵截面方向进行数值模拟,分析温度场和应力场的产生以及分布规律。在保证其他工艺参数不变的条件下,对比分析了1300W、1400W和1500W时焊缝中心温度和加热结束时焊缝的最高温度,结果表明,1500W时焊缝中心温度为1079.95℃,温度梯度为120℃左右,焊缝结束时的温度为1304.52℃,得出随着功率的增大,熔池的熔深越大,并且温度梯度变化也随之增大;对比分析0.02m/s、0.03m/s、0.04m/s,随着焊接速度的加快,焊接温度逐渐减小,能够看出随着焊接速度的加快,熔池最高温度逐渐降低,以及熔池的熔宽会逐渐减小。在激光焊接实验过程中,采用光纤激光器,使用热电偶测温法对钢铝异种材料的热循环曲线进行测量,与温度场模拟结果比较,得出焊接温度场的中心温度在1008.38℃左右,结束时最高温度达到1217.07℃,冷却20s之后的温度为123.76℃,温度场数值模拟结果与试验热循环曲线相吻合。残余应力的测量采用小孔释放法,对指定路径上的横向及纵向残余应力分布进行了测试,并与仿真结果进行对比。得出横向残余应力和纵向残余应力分布趋势与试验结果相吻合,为钢铝异种金属材料激光焊接的工程应用提供了理论和试验尝试。

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