20mm厚6063鋁合金TIG焊接應(yīng)力場(chǎng)模擬開(kāi)題報(bào)告

天津理工大學(xué)本科畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)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(chǎng)模擬 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 職稱 （報(bào)告內(nèi)容包括課題的意義、國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r、本課題的研究?jī)?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(diǎn) ,在國(guó)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(shí) ,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(wèn)題。 鎢極氫弧焊 , 簡(jiǎn)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(wú)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(diǎn) ，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(diǎn) , 自 20世紀(jì)以來(lái) ,該技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。但 TIG 焊也有自身的缺點(diǎn) , 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(diǎn)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(shí)焊縫部位的應(yīng)力場(chǎng)等各種變化成為亟待解決的問(wèn)題。本課題 針對(duì)提高鋁合金電機(jī)外殼焊接質(zhì)量，研究掌握新能源電動(dòng)汽車自循環(huán)水冷卻鋁合金電機(jī)殼體自動(dòng)焊接過(guò)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(dòng)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(guó)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(guó)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(shí)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(zhēng)相開(kāi)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(guò)程 中可以填絲也可以不填絲 。 焊接過(guò)程中可用手動(dòng)進(jìn)行 ，也可以自動(dòng)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(lái)不少困難 ， 經(jīng)過(guò)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(lái)，各國(guó)工程技術(shù)人員就開(kāi)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(guò)程中由于局部熱輸入而導(dǎo)致不均勻的溫度場(chǎng)。 1940 年，前蘇聯(lián)的奧凱爾勃洛姆對(duì)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(yàn)和對(duì)簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)有限差分法進(jìn)行鑄件凝固過(guò)程的傳熱計(jì)算，進(jìn)入 20 世紀(jì) 70 年代后，更多的國(guó)家加入到這個(gè)研究行列，并從鑄造逐步擴(kuò)展到鍛壓、熱處理、焊接。隨著計(jì)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(jì)算和邏輯推理能力，使焊接技術(shù)人員得以應(yīng)用計(jì)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(duì)復(fù)雜焊接現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。 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(dòng)態(tài)焊接過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變分析成為可能。隨后，許多國(guó)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(diǎn)研究的三維；模擬對(duì)象從簡(jiǎn)單的平板堆焊、對(duì)接焊到角焊縫，再到目前的研究熱點(diǎn)多道焊；研究?jī)?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(lái)幫助理解焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力和變形，國(guó)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(guó)家相關(guān)部門的重視。 而國(guó)內(nèi)在 20 世紀(jì) 80 年代初才開(kāi)始焊接數(shù)值模擬方面的研究工作，近些年來(lái)很多的科研單位和個(gè)人投入到了這項(xiàng)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(kāi)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(wèn)題分析中取得了很大的進(jìn)展，并在實(shí)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(cè)和氫擴(kuò)散方面進(jìn)行了研究。上述的研究不少是和國(guó)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(shí)驗(yàn)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(lái)講，我國(guó)的淬火過(guò)程數(shù)值模擬與國(guó)外相比，無(wú)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(duì)鋁合金焊縫的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬、研究鋁合金的焊接工藝以及鋁合金在各個(gè)領(lǐng)域中使用時(shí)性能的變化有著廣闊的發(fā)展前景。 3. 本課題的 研究?jī)?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(diǎn)及工藝流程。針對(duì)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(yàn)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(chǎng)的變化情況； （ 2）對(duì)試樣進(jìn)行加工及 TIG 焊接處理，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中了解 TIG 焊接處理對(duì)試樣性能的影響 (例如 :顯微組織、硬度、高頻疲勞、應(yīng)力場(chǎng)變化情況 )； （ 3） 分析、總結(jié)試樣的性能實(shí)驗(yàn)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(duì)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(yàn)參數(shù)。 （ 2）針對(duì)試樣進(jìn)行焊接試驗(yàn) （ 3）對(duì)試樣進(jìn)行性能測(cè)試，并分析 （ 4）利用 ANSYS 有限元模擬的方法對(duì)焊接的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬 （ 5）將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的現(xiàn)象與模擬數(shù)值作比較分析焊接后的應(yīng)力場(chǎng)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(kāi)題報(bào)告 2013.02.25 2013.03.26 進(jìn)行 TIG 焊接焊縫性能測(cè)試 2013.03.27 2013.05.15 分析試驗(yàn)測(cè)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(bào)， 2002， 23(3)： 89 93 2 李開(kāi)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(zhǎng)沙 ： 湖南科學(xué)技術(shù)出版社 ，2004 4 周萬(wàn)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