20mm厚6063鋁合金TIG焊接應(yīng)力場模擬開題報告

天津理工大學(xué)本科畢業(yè)論文開題報告 屆： 2013 學(xué)院（系）：材料科學(xué)與工程 專業(yè)：材料成型及控制工程 2013 年 03 月 06 日 畢業(yè) 論文題目 20mm 厚 6063 鋁合金 TIG 焊接應(yīng)力場模擬 學(xué)生姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師 職稱 （報告內(nèi)容包括課題的意義、國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r、本課題的研究內(nèi)容、研究方法、研究手段、研究步驟以及參考文獻(xiàn)資料等。） 1. 本課題研究的意義 鋁及鋁合金具有質(zhì)量輕 、 延展性好 、 易成形 、 熱穩(wěn)定好 、 抗腐蝕和再生性好等一系列優(yōu)點 ,在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中 廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、艦船、 武器、火車、汽車等結(jié)構(gòu)中。但在采用傳統(tǒng)的熔化焊接方法進(jìn)行焊接時 ,焊縫易產(chǎn)生翹曲變形、表面氧化、熱裂紋、氣孔、合金元素?zé)龘p和焊縫區(qū)軟化等問題。 鎢極氫弧焊 , 簡稱 TIG焊（ Tungsten Inert Gas Are Welding） , 是一種現(xiàn)代的焊接方法。由于它具有電弧穩(wěn)定、無飛濺、焊接質(zhì)量好 ， 焊縫純凈、成形美觀、熱影響區(qū)小 等優(yōu)點 ，可以焊接例如鎳合金、鋁合金、欽合金等幾乎所有合金或金屬等諸多優(yōu)點 , 自 20世紀(jì)以來 ,該技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)的各個領(lǐng)域。但 TIG 焊也有自身的缺點 , 如焊接速度慢 , 焊接熔深淺 , 熔敷效率低等 , 導(dǎo)致 TIG 焊接只適用于薄壁制件 , 影響了生產(chǎn)效率 , 故應(yīng)用受到了限制。因此 , 在保留它原有優(yōu)點的基礎(chǔ)上 , 提高其焊接材料厚度范圍以及研究其用于焊接厚壁鋁合金時焊縫部位的應(yīng)力場等各種變化成為亟待解決的問題。本課題 針對提高鋁合金電機(jī)外殼焊接質(zhì)量，研究掌握新能源電動汽車自循環(huán)水冷卻鋁合金電機(jī)殼體自動焊接過程中應(yīng)力的分布規(guī)律，為自循環(huán)水冷卻鋁合金電機(jī)殼體擠壓成形技術(shù)與端面自動焊接密封技術(shù)結(jié)合生產(chǎn)新能源汽車電機(jī)殼體成為一種新技術(shù)提供一定的依據(jù)。 2. 國內(nèi)、外發(fā)展?fàn)顩r 鋁合 金 材料雖早已經(jīng)在汽車上應(yīng)用， 但是進(jìn)展緩慢。比如美國汽車上使用的鋁合金只占汽車自身質(zhì)量的。其最主要的原因是這些鋁合金的成本太高 、焊接時焊縫易產(chǎn)生翹曲變形以及表面氧化等缺陷 。盡管如此，隨科學(xué)技術(shù)和汽車工業(yè)的發(fā)展鋁合金仍被日益推廣，鋁合金零件的品種日益增多，尤其是車身零部件?，F(xiàn)在幾乎所有的世界各大汽車公司都爭相開發(fā)鋁合金車身零部件或全鋁車身，而且近期取得了顯著成效。 TIG 焊接是現(xiàn)代工業(yè)制造的一種重要的焊接方法 。 它以燃燒于非熔化極電極與焊件間的電弧作為熱源 ， 電極和電弧區(qū)及熔化金屬都用一層惰性氣體保護(hù) ， 使之與空氣隔離 。 在焊接過程 中可以填絲也可以不填絲 。 焊接過程中可用手動進(jìn)行 ，也可以自動化 ， 前一種應(yīng)用更為廣泛 。 由于鋁及鋁合金化學(xué)性質(zhì)活潑 ， 表面易形成氧化膜 ， 再加之導(dǎo)熱性強(qiáng) ， 給其 TIG 焊接帶來不少困難 ， 經(jīng)過科研工作者的努力 ， 鋁合金的 TIG 焊也已廣泛得到應(yīng)用 。 自 1930 年以來，各國工程技術(shù)人員就開始了有關(guān)焊接殘余應(yīng)力和變形的研究，產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因是焊接過程中由于局部熱輸入而導(dǎo)致不均勻的溫度場。 1940 年，前蘇聯(lián)的奧凱爾勃洛姆對焊接殘余應(yīng)力和變形的起因和分類進(jìn)行了研究，建立了確定焊接殘余應(yīng)力和變形的理論方法。因力學(xué)機(jī)理較復(fù) 雜，故 1960 年之前所進(jìn)行的研究都是基于試驗和對簡單情況的分析。焊接數(shù)值模擬技術(shù)最早是在 1962 年，丹麥人首次用計算機(jī)有限差分法進(jìn)行鑄件凝固過程的傳熱計算，進(jìn)入 20 世紀(jì) 70 年代后，更多的國家加入到這個研究行列，并從鑄造逐步擴(kuò)展到鍛壓、熱處理、焊接。隨著計算機(jī)的飛速發(fā)展，由于其具有非常強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計算和邏輯推理能力，使焊接技術(shù)人員得以應(yīng)用計算機(jī)輔助技術(shù)分析焊接中的應(yīng)力和變形，并能獲得各種形式焊件的殘余應(yīng)力分布和變形，加強(qiáng)了對復(fù)雜焊接現(xiàn)象的認(rèn)識。 在 20 世紀(jì) 70 年代初，日本的上田幸雄等首先以有限元法為基礎(chǔ)，提出了 焊接熱彈塑性分析理論，從而使復(fù)雜的動態(tài)焊接過程的應(yīng)力應(yīng)變分析成為可能。隨后，許多國家的研究者加入到焊接數(shù)值模擬的研究行列，建立的數(shù)值模型從一維發(fā)展到二維，再到目前重點研究的三維；模擬對象從簡單的平板堆焊、對接焊到角焊縫，再到目前的研究熱點多道焊；研究內(nèi)容從焊接接頭的收縮變形到角變形，再到大型復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的整體變形。數(shù)值模擬作為一種強(qiáng)有力的定量研究手段，不僅可以用來幫助理解焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，預(yù)測殘余應(yīng)力和變形，國內(nèi)外的研究者們還以此為工具，研究控制和減小殘余應(yīng)力，優(yōu)化焊縫質(zhì)量的工藝方法。這樣，數(shù)值模擬技術(shù)既有重 要的科學(xué)技術(shù)意義，又能產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益，廣泛受到科研、企業(yè)及國家相關(guān)部門的重視。 而國內(nèi)在 20 世紀(jì) 80 年代初才開始焊接數(shù)值模擬方面的研究工作，近些年來很多的科研單位和個人投入到了這項研究中，也取得了不少研究成果。西安交通大學(xué)和上海交通大學(xué)較早開展了焊接傳熱和熱彈塑性應(yīng)力分析并做了許多工作。最近上海交通大學(xué)在三維焊接問題分析中取得了很大的進(jìn)展，并在實際工程中得到了成功的應(yīng)用；清華大學(xué)進(jìn)行了輔助熱源影響焊縫應(yīng)變規(guī)律的數(shù)值分析；哈爾濱工業(yè)大學(xué)、山東大學(xué)和甘肅工業(yè)大學(xué)在焊接熔池和電弧物理方面進(jìn)行了數(shù)值研究；大連鐵 道學(xué)院在焊接傳熱、組織性能預(yù)測和氫擴(kuò)散方面進(jìn)行了研究。上述的研究不少是和國外合作進(jìn)行的。 數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，首先決定于數(shù)學(xué)模型的正確性，這需要大量的實驗研究做基礎(chǔ)；其次是各物性參數(shù)的準(zhǔn)確性；最后還要有可靠的算法。由于各種鋁合金材料的物性參數(shù)資料非常缺乏，影響了數(shù)值模擬工作的深入?？傮w上來講，我國的淬火過程數(shù)值模擬與國外相比，無論在理論研究方面還是在工業(yè)應(yīng)用方面都存在著一定的差距。因此對鋁合金焊縫的應(yīng)力場進(jìn)行模擬、研究鋁合金的焊接工藝以及鋁合金在各個領(lǐng)域中使用時性能的變化有著廣闊的發(fā)展前景。 3. 本課題的 研究內(nèi)容 （ 1） 在查閱文獻(xiàn) 、調(diào)研的基礎(chǔ)上了解高強(qiáng)度鋁合金 TIG 焊接技術(shù)的優(yōu)點及工藝流程。針對所選擇的 6063 鋁合金材料的性能及使用條件，選擇合理、可靠的 TIG焊接工藝 以及 制定合理的試驗參數(shù)，采用有限元模擬的方法模擬分析 20mm 厚6063 鋁合金 TIG 焊接應(yīng)力場的變化情況； （ 2）對試樣進(jìn)行加工及 TIG 焊接處理，在實驗過程中了解 TIG 焊接處理對試樣性能的影響 (例如 :顯微組織、硬度、高頻疲勞、應(yīng)力場變化情況 )； （ 3） 分析、總結(jié)試樣的性能實驗結(jié)果以及模擬結(jié)果，得出結(jié)論。、 4. 本課題的研究手段及步驟 研究手段： （ 1）針 對試樣進(jìn)行表面清理及其它焊前預(yù)處理 選擇合理、可靠的焊接工藝 以及 制定合理的焊接試驗參數(shù)。 （ 2）針對試樣進(jìn)行焊接試驗 （ 3）對試樣進(jìn)行性能測試，并分析 （ 4）利用 ANSYS 有限元模擬的方法對焊接的應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬 （ 5）將實驗測得的現(xiàn)象與模擬數(shù)值作比較分析焊接后的應(yīng)力場變化情況。 研究步驟： 2012.11.11 2013.01.16 查閱文獻(xiàn) 2013.01.17 2013.02.24 準(zhǔn)備開題報告 2013.02.25 2013.03.26 進(jìn)行 TIG 焊接焊縫性能測試 2013.03.27 2013.05.15 分析試驗測試結(jié)果 2013.05.15 2013.06.15 撰寫論文 ,準(zhǔn)備答辯 5. 主要參考文獻(xiàn) 1 吳言高，李午申，鄒宏軍，馮靈芝焊接數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 J焊接學(xué)報， 2002， 23(3)： 89 93 2 李開泰，董艾香，黃慶懷有限元方法及其應(yīng)用 M北京：科學(xué)出版社， 2006，2 3 黃旺福 ， 黃金剛 鋁及鋁合金焊接指南 M 長沙 ： 湖南科學(xué)技術(shù)出版社 ，2004 4 周萬盛，姚軍山鋁及鋁合金的焊接 M北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2006 5 楊宗輝 ， 孫孝純 鋁合金的現(xiàn)代焊接技術(shù) J 電焊機(jī) ， 2003， 33（ 12）：1-5 6 D A Tann