摘要
变极性等离子弧(Variable polarity plasma arc, VPPA)-MIG复合焊接是针对厚板铝合金材料的一种优质、高效、深熔的焊接技术，该工艺结合了VPPA焊接的高能量密度、强穿透能力以及清理氧化膜作用和MIG焊接的高效率以及易于填充金属的双重优点，同时又弥补了MIG焊接熔深浅、VPPA仅能立焊成形等不足，具有广阔的工业应用前景。目前，对该复合焊接的研究主要集中在工艺方面，而对其物理现象数值模拟的研究未见报道。并且，复合焊接参数多，物理过程复杂，仅通过试验指导焊接工艺不利于推广和应用。本文利用数值模拟技术，通过开发合适的有限元计算模型，进行了铝合金VPPA-MIG复合焊接温度场和应力场的分析。这将有助于复合焊接工艺机理研究以及焊接参数和焊接结构的优化，具有重要的研究意义和应用价值。 本研究以中厚板7A52铝合金为研究对象，采用激光导热仪(LAF)和差示扫描量热仪(DSC)测量并分析了7A52铝合金材料的热物理性能，建立了考虑7A52铝合金相变的材料热物理性能参数数据库。针对铝合金VPPA-MIG复合焊接开发了适用的组合式体积热源模型。根据VPPA在不同极性阶段的热源特性，开发了一种变极性热源模型，通过不同功率和不同热源分布参数的两个曲线旋转体热源模型的周期性分时加载来描述VPPA热输入形式。根据MIG焊接焊缝形状特点和传热特性，针对MIG焊接热源开发了考虑熔滴热能和动能的组合体积热源模型。采用高速摄像分析了VPPA-MIG复合焊接热源特性，并在集成以上VPPA和MIG热源模型的基础上，进一步优化了复合焊接热源模型，实现了在不同极性阶段热源间距和MIG热流密度的变化。 利用建立的材料热物理性能参数数据库和VPPA-MIG复合热源模型，计算了不同厚度、不同工艺条件的7A52铝合金复合焊接温度场，计算结果(焊缝截面、熔池形貌以及热循环曲线)与试验结果吻合良好。通过计算结果与试验结果对比发现，随着VPPA功率的增大，MIG功率的减小，复合焊接熔深逐渐增加，穿透能力逐渐增强。VPPA-MIG复合焊接熔宽小于MIG焊接熔宽。复合焊接熔宽主要是由MIG所决定的，而VPPA是决定穿透深度的主要因素。通过合理的调整VPPA与MIG的功率比例，优化了不同厚度的7A52铝合金VPPA-MIG复合焊接工艺，获得了良好的焊缝成形。 通过高温拉伸试验确定了不同温度下原始态和软化后7A52铝合金的力学性能，由此建立了铝合金各相的力学性能参数数据库，基于经典LSW理论开发了铝合金材料软化模型，实现了复合焊接中铝合金软化过程的计算，考虑了铝合金焊接接头软化行为对焊接应力的影响。分别运用材料软化模型和传统材料模型对11mm7A52铝合金复合焊接应力场进行了计算。计算结果表明，在临近焊缝热影响区，采用材料软化模型计算的残余应力水平较传统材料模型出现不同程度的下降。而在热影响区以外二者的残余应力水平相当。采用X射线衍射法测量了残余应力，与计算结果对比分析发现，运用材料软化模型的计算结果与测量结果吻合的更好，采用开发的材料软化模型提高了复合焊接应力场的计算准确性。 模拟分析了7A52铝合金复合焊接在不同填充金属时焊缝残余应力的差异。结果表明，低强匹配较等强匹配的焊缝最大纵向残余拉应力降低了122.1MPa，最大横向残余应力减小15MPa。填充5系铝合金有效的降低了焊缝中的应力，减小了裂纹的扩展驱动力，进而可以降低焊缝产生裂纹的倾向。对比研究了不同工艺条件下的残余应力分布情况。研究发现，VPPA-MIG复合焊比传统双层MIG焊的最大纵向残余应力大25.5MPa，而最大横向残余应力小11.6MPa。复合焊的拉应力区域比MIG焊减小26.97mm。在保证良好焊缝成形时，随着VPPA功率的增加，MIG功率的减小，复合焊纵向和横向残余应力及其拉应力区域面积均呈减小趋势。在最佳复合焊接工艺下，纵向残余拉应力峰值为276.8MPa，横向残余拉应力峰值为32.9MPa。
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