（材料加工工程专业论文）az31镁合金mig焊接焊缝成形及应力场的数值模拟.pdf

-疆翻蔫一jj， 翔，_：一一 i ，、 中文摘要 中文摘要 随着镁合金越来越广泛的应用，其连接技术的研究显得非常必要。m i g 焊是镁合金 焊接的重要方法之一，但镁合金m i g 焊接复杂的传热过程使得实验方法花费大量人力 和财力却很难获得重要信息，因此数值模拟成为镁合金m i g 焊接的重要研究手段。 本文首先在一系列焊接参数下对6 m m 厚的a z 3 1 镁合金板进行了m l g 焊接工艺试 验，对各种焊接参数下的焊缝形状和尺寸( 熔宽和熔深) 进行观察和测量，并与模拟结 果进行对比；其次利用a n s y s 软件建立了a z 3 l 镁合金m i g 焊三维模型，对6 m m 厚的a z 3 1 镁合金板材焊接温度场进行动态模拟在模拟计算时，采用a n s y s 软件的热一结构耦合功 能，利用间接法，先计算焊接温度场，以温度场的计算结果作为结构分析的载荷，再进 行焊接应力场的计算。最后通过后处理，给出了焊件不同位置不同时刻各点的热循环曲 线和应力分布曲线，并将部分点的热循环曲线与实测值进行了对比。 通过对焊缝成形工艺试验结果与数值模拟结果对比分析，得出在焊接电流为1 5 0 a 、 焊接电压为2 4 v 、焊接速度为8 m m s 时焊缝外观均匀光滑，为最佳焊接参数，而且焊缝 熔宽及熔深都随着焊接电流、焊接电压的增大而增大，随着焊接速度的增大而减小，数 值模拟结果和工艺试验结果显示的变化规律一致；实验所测的各点热循环曲线与模拟计 算结果对比结果显示最高温度、冷却速度等都吻合较好。 应力场数值模拟结果表明：焊缝处纵向残余应力几乎都是拉压力；在焊缝方向上， 焊缝中间的残余应力最大；沿垂直焊缝方向纵向残余应力逐渐减小，越远离焊缝方向， 纵向残余应力越可能会出现压应力；在焊缝附近的横向残余应力既有拉应力，也有压应 力；沿焊缝方向，先焊接部分的横向残余应力为压应力，而且沿焊缝方向呈递减趋势； 垂直焊缝方向，焊板处的横向残余应力在零值附近波动。说明本文所建立的有限元的计 算模型是接近实际情况的，有较强的参考意义。 关键词：a z 3 1 镁合金；m i g 焊；焊缝成形；应力场；数值模拟。 a z 3 1 镁合金m i g 焊接焊缝成形及应力场的数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t a sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e dm a g n e s i u ma l l o y , t h er e s e a r c ho fi t s c o n n e c t i o nt e c h n o l o g yi sv e r yn e c e s s a r y m i gw e l d i n gi s o n eo fi m p o r t a n t m e t h o d so fm a g n e s i u ma l l o y sw e l d i n g ，a l t h o u g h t h em i gw e l d i n go f m a g n e s i u ma l l o yc o m p l e xh e a tt r a n s f e rp r o c e s ss p e n d sa l o to fm o n e ya n d m a n p o w e r i n e x p e r i m e n t a l m e t h o d s ，i ti sd i f f i c u l tt o o b t a i n i m p o r t a n t i n f o r m a t i o n ，t h en u m e r i c a ls i m u l m i o no fm a g n e s i u ma l l o ym i gw e l d i n gi sa n i m p o r t a n tr e s e a r c ht 0 0 1 f i r s t l y , t h e6 m m t h i c ka z 31m a g n e s i u ma l l o yp l a t ew a sw e l d e dw i t hm i g w e l d i n gi nas e r i e so f v a f i o u sw e l d i n gp a r a m e t e r s ，t h e nv a r i o u sw e l ds h a p ea n d s i z e ( w e l dw i d t ha n dw e l dp e n e t r a t i o n ) a r e o b s e r v e da n dm e a s u r e d ，t h e m e a s u r e m e n tr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s s e c o n d l y ， m a g n e s i u ma l l o y ss p e c i m e n st h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fm i gw e l d i n gw a s e s t a b l i s h e db ya n s y ss o f t w a r et os i m u l a t ew e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l do ft h e 6 m mt h i c ka z 31 m a g n e s i u ma l l o yp l a t e i na n a l o g u ec o m p u t a t i o n ，h e a t 。 s t r u c t u r ec o u p l i n gf u n c t i o no fa n s y ss o f t w a r ew a su s e dt oc a l c u l a t ew e l d i n g t e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e n ，t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw a st a k e n a st h el o a do fs t r u c t u r e a n a l y s i s t oc a r r yo u tt h ec a l c u l a t i o no fw e l d i n gs t r e s sf i e l d f i n a l l y , t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa f t e rp o s t p r o c e s s i n gw e r eg i v e nt h e r m a lc y c l i n gc u r v ea n d s t r e s sd i s t r i b u t i o nc u r v eo fw e l d m e n ti nd i f f e r e n tl o c a t i o n sa n dd i f f e r e n tt i m e s ， t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw a sc o m p a r e dw i t hm e a s u r e dr e s u l t s t h r o u g hc o m p a r i s o na n a l y s i s o nt e c h n o l o g ye x p e r i m e n tr e s u l t sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，w eo b t a i n e dt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ew e l dh a da s m o o t hl o o ku n d e rt h ew e l d i n gc u r r e n t15 0 a ，w e l d i n gv o l t a g e2 4 vw e l d i n g s p e e df o r8 m m | sc o n d i t i o n s 。s ot h e y w e r et a k e nf o rt h eb e s tw e l d i n g p a r a m e t e r s m e a n w h i l e ，i tf o u n dt h a tt h e w e l dw i d t ha n dw e l dp e n e t r a t i o n i n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gw e l d i n gc u r r e n ta n dw e l d i n gv o l t a g e ，d e c r e a s e dw i t h t h ew e l d i n 2 t h e i t i o nl a wb a s i c a l l t h es a m ea slncreaslnk ew e l d i n gs p e e d h ev a r i a t i o nl a ww a sb a s i c a l l ym es a m ea s t e c h n o l o g ye x p e r i m e n t ；t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a x i m u mt e m p e r a t u r ea n d c o o l i n gs p e e dw a sg o o da c c o r d a n c ew i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s 垒垄! 璧全全竺! q 堡鳖堡丝垡堑垦壁垄堑箜墼篁堡垫 一一 - - _ - - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 一 t h es i m u l a t e dr e s u l t so ns t r e s sf i e l ds h o w e dt h a tl o n g i t u d i n a l r e s i d u a l s t r e s so fw e l ds e a m sw a sa l m o s tp u l lp r e s s u r e ；r e s i d u a ls t r e s sw a st h eb i g g e s t i n t h em i d d l eo fw e l d i o i n t s ；t h el o n g i t u d i n a lr e s i d u a ls t r e s sd e c r e a s e dg r a d u a l l y a t v e r t i c a lw e l ds e a m sd i r e c t i o n ；t h e v e r t i c a lr e s i d u a ls t r e s sc h a n g e d i n t o c o m p r e s s i v es t r e s sa w a yf r o m t h ew e l dd i r e c t i o n ；i nt h ew e l dt r a n s v e r s er e s i d u a l s t r e s sn e a rt h et e n s i l es t r e s s ，a l s oh a db o t hc o m p r e s s i v es t r e s s ；a l o n gt h ew e l d d i r e c t i o n ，t h ef i r s tp a r to ft h et r a n s v e r s ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sw a sm o r e ，a n d s h o w e dad e c r e a s i n gt r e n da l o n gt h ew e l dd i r e c t i o n ；v e r t i c a l w e l dd i r e c t i o n ， r e s i d u a ls t r e s st r a n s v e r s eo fw e l d i n gp l a t ef l u c t u a t e da r o u n dz e r o t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ee s t a b l i s h e df i n i t e e l e m e n tm o d e lw a sc l o s et ot h ea c t u a l s i t u a t i o n a n dh a ds t r o n gr e f e r e n c ev a l u e k e y w o r d s ：a z 3 1m a g n e s i u ma l l o y ；m i gw e l d i n g ；w e l ds h a p e ；s t r e s sf i e l d ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n l v 目录 目录 第一章绪论。1 1 1 镁合金焊接特点及研究现状：l 1 1 1 镁合金的特性l 1 1 2 镁合金的应用3 1 1 3 镁合金焊接存在的问题5 1 1 4 镁合金焊接研究进展5 1 2m i g 焊接过程数值模拟的研究现状8 1 3 课题研究的主要内容9 第二章a z 3l 镁合金m i g 焊接有限元模型1 l 2 1 焊接热源模型1 1 2 1 1 集中热源1 1 2 1 2 平面分布热源一1 l 2 1 3 体积分布热源。1 2 2 2m i g 焊接的有限元理论基础1 4 2 2 1 几何模型的建立2 。1 6 2 2 2 热源模型17 2 2 3 边界条件18 2 2 4 潜热处理1 9 2 3 模型的材料属性和单元类型1 9 2 3 1 材料属性1 9 2 3 2 单元类型。2 0 2 4 划分网格2 0 2 5 加载移动热源2 l 2 6 本章小结2 2 第三章a z 31 镁合金m i g 焊接焊缝成形数值模拟2 3 3 1 不同焊接电流时的焊缝成形2 3 3 1 1 工艺试验：2 3 3 1 2 模拟计算2 4 3 2 不同焊接电压时的焊缝成形2 5 3 2 1 工艺试验2 5 3 2 2 模拟计算。2 6 3 3 不同焊接速度时的焊缝成形2 7 v a z 31 镁合金m i g 焊接焊缝成形及应力场的数值模拟 3 3 1 工艺试验2 7 3 3 2 模拟计算2 8 3 4 本章小结2 8 第四章a z 31 镁合金m i g 焊接应力场数值模拟3 1 4 1 各参数对m i g 焊接温度场和应力场的影响3 1 4 1 1 网格尺寸3 l 4 1 2 焊接速度3 2 4 1 3 电弧有效半径3 4 4 1 4 焊接电流3 6 4 1 5 电弧电压3 8 4 1 6 环境温度4 0 4 2 焊接温度场模拟计算与结果分析4 1 4 2 1 焊接后温度场的分布情况4 2 4 2 2 焊缝表面中心线各点的热循环曲线。4 2 4 2 3 焊缝表面距中心线7 m m 处各点的热循环曲线4 3 4 2 4 焊缝表面垂直焊缝方向的热循环曲线4 4 4 2 5 焊缝厚度方向各点的热循环曲线4 5 4 2 6 实测热循环曲线与模拟值对比分析4 6 4 3 焊接应力场的模拟计算与结果分析4 8 4 3 1 焊接应力场的计算方法简介4 8 4 3 2 应力场模拟计算结果分析4 9 4 4 本章小结5 2 第五章结论5 3 参考文献5 4 致 射5 9 攻读硕士学位期间发表的相关学术论文6 1 第一章绪论 第一章绪论 自2 0 世纪8 0 年代初以来，全球的镁产量呈增长趋势，年增长率为2 以上。全球 前5 名产镁大国分别为中国、挪威、美国、俄罗斯和以色列。所以从节约能源和发挥我 国镁资源优势的角度考虑，未来镁合金必将成为我国工业生产中广泛使用的金属结构材 料。由于镁合金具有比强度高、可回收利用等特点，目前已在航空航天、汽车工业、3 c 等领域成功应用。但镁合金的应用范围和钢、铝合金等金属材料比起来差距还很大，要 想在金属结构中广泛采用镁合金，镁合金连接技术的研究及广泛应用非常必要。 m i g 焊可应用于各类金属材料的焊接，可以容易地实现焊接生产自动化、焊接过程 智能控制，为镁合金连接的广泛应用提供了重要手段。在m i g 焊接过程中，从焊枪喷 嘴中流出的气体对焊接区及电弧进行保护，焊丝熔化金属从焊丝端部脱落过渡到熔池， 与母材熔化金属共同形成焊缝。但人们对这些现象或物理过程却知之甚少。而采用数学 模型对m i g 焊接传热及传质过程进行深入细致的研究，能获得实验方法难以获得的重 要信息，有助于理解熔滴的形成机制和过渡形式，以及能量和物质的传输机理，因而成 为当今国内外研究的热点。近二十年来，已经建立了许多关于m i g 焊接的数学模型。 m i g 焊接过程主要由焊接工艺参数以及材料性能决定，工艺参数主要包括焊接电流、电 弧有效半径、气体流量和焊接速度等，材料性能主要是材料的热物性参数。要为某种材 料制定合适的m i g 焊接工艺，往往需要进行大量的前期试验，耗费大量的人力、物力 和财力。因此，建立m i g 焊的数学模型，对于预测焊接结果，实现m i g 焊接工艺参数 的预选和优化，减少工艺试验的次数，防止焊接缺陷产生都有十分重要的意义。焊缝成 型是焊接质量的关键特征之一，焊缝形貌直接影响焊缝力学性能及疲劳强度。通过数值 方法，能够准确预测焊缝形貌，为评价和控制焊接质量提供了一个重要的指标。 本章将从镁合会焊接技术以及m i g 焊数值模拟技术两方面来综述日前国内外的研 究进展。 1 1 镁合金焊接特点及研究现状 1 1 1 镁合金的特性 在纯镁中加入某些有用的合金元素可获得不同的镁合金，它们不仅具有镁的各种特 性，而且能大大改善镁的物理、化学和力学性能，扩大其应用领域。目前，已开发出几 十种不同性能的镁合金，形成了镁合金体系i lj 。 大多数镁合金具有以下特点： ( 1 ) 镁合会的密度为1 7 4 1 8 5 9 c m 3 ，是钢铁密度的1 4 ，比铝合会密度低3 6 。 a z 31 镁合金m i g 焊接焊缝成形及应力场的数值模拟 比锌密度低7 3 。目前世界工业生产中用的最轻的结构材料就是镁合金，因为用镁合金 制造各种结构零件，不仅可以减轻结构重量，而且可以降低能源消耗，减少污染物排放， 是航空航天和交通运输工具轻量化的良好材料。m g 、a 1 、f e 的主要物理参数见表1 1 。 表1 1m g 、a 1 及f e 的物理性质比较 t a b l 1p h y s i c a lp r o p e r t i e so f f e ，m ga n d a i ( 2 ) 镁合金的比弹性模量与高强度铝合金、合金钢大致相同，用镁合金制造刚性 好的整体构件，十分有利。镁合金的焊接性能和搞疲劳性能也不错。 ( 3 ) 镁合金弹性模量低，当受外力作用时应力分布更均匀，避免过高的应力集中。 ( 4 ) 镁合金有高的振动阻尼容量，即高的减振性、低惯性。 ( 5 ) 镁及其合金在高温和常温下都具有一定的塑性，因此可用压力加工的方法获 得各种规格的棒材、管材、型材、锻件、模锻件和板材以及压铸件、冲压件等。 ( 6 ) 镁合金具有优良的切削加工性能，其切削速度大大高于其他金属，因其较高 的稳定性，铸件的铸造和加工尺寸精度高。 ( 7 ) 镁在碱性环境下是稳定的，有抗盐雾腐蚀性能。 ( 8 ) 镁与铁的反应性低，压铸时压铸模熔损少，使用寿命长，镁的压铸速度比铝 古 同o ( 9 ) 镁在铸造工业方面具有较大的适应性，几乎用所有特种铸工艺都可以铸造。 与其他合令材料相比，镁合金也存在如下缺点： ( 1 ) 镁的化学活性强，在空气中易氧化和燃烧，且生成的氧化膜疏松，所以镁合 金必须在专门的熔剂覆盖下或保护气氛下熔炼。加工车间和制粉车间要特别注意防火。 ( 2 ) 抗盐水腐蚀能力差，因此必须进行防腐处理。 ( 3 ) 同钢铁材料接触时，易产生电化学腐蚀。 ( 4 ) 杨氏模量、疲劳强度和冲击值等零件设计方面的材料性能比铝低。当代替铝 2 第一章绪论 合金制零件时，厚度要增加，有时得不到所期望的轻量效果。 ( 5 ) 镁合金的铸造性差。凝固时易产生显微气孔，因而降低铸件的力学性能。 ( 6 ) 镁合金做件的综合成本比铝合金高，加工件的价格远远高于铝合金。 1 1 2 镁合金的应用 由于镁及镁合金具有以上的一系列特性，因此其用途十分广阔，几乎遍及各个领域。 ( 1 ) 照明器制造方面。由于铝含量超过3 0 的镁一铝合金细粉在燃烧时能发出极 明亮的折光，故镁的第一个工业用途就是用在照明器制造方面，如用于制造照相用的闪 光灯等。镁粉还被用于制作供夜航摄影用的曳光管、各种焰火、高能燃料和燃烧器。 ( 2 ) 冶金工业方面。在冶金工业中，镁被用于生产球墨铸铁：用镁脱除一部分硫 和使石墨球化，从而使铸铁的韧性和强度大大提高。镁还被广泛地用于钢脱硫。此外， 在生产黄铜和青铜之类的铜合金以及生产镍合金时，镁是十分有用的脱氧剂或“除气 剂”。在b e t t e r t o n k r o l l 制铅法中，必须将钙与镁结合使用，以便除去铅中的铋。 在冶金工业中，镁的最大用途之一是作为铝合金的合金元素，它可以改善材料的强 度和抗腐蚀性能。此外，镁还被添加到压铸锌合金中以改善其力学性能和尺寸稳定性。 镁还被用作其他锌产品的组分，包括屋面板、光刻板、生产干电池用的锌板和镀锌浴液 等。添加镁，还可使镍、镍铜合金和铜= 镍锌合金的性能得到很大改善。 ( 3 ) 化学工业方面。在化工方面，著名的生产复杂和特殊有机化合物和金属有机 化合物的g r i g n a r d 法就必须使用镁。镁还用于生产镁的链烃基化合物和芳基化合物；在 生产真空管的过程中用作“吸收剂 ；用于生产氢化硼、氢化锂和氢化钙；对锅炉用水 进行去氧和去氯。 ( 4 ) 电化学方面。镁和镁合金的铸造与加工产品在电化学方面的应用，包括阴极 保护、制造电池和光刻等。镁牺牲阳极用于延长各种金属装置的寿命，其中包括：家用 和工业用热水器；各种地下构建物，例如地下电缆、管线、井体、储槽和塔基等；以及 海水冷凝器、船壳、压载箱和在海洋环境中使用的钢桩。镁还用于制造各种电池，包括 干电池和蓄电池( 例如海水赋能电池) ；而且由于其良好的蚀刻性能和力学性能并且又 耐磨，故镁十分适合于制作光刻版。 ( 5 ) 结构件方面。由于镁具有许多特别优良的性能，故己被成功地用于制作各种 结构件。单就它重量极轻这一特点而言，使它在用于制造使用过程中需要移动或升降的 零部件方面占据了非常大的优势。因密度小而具有低惯性，使镁特别适合于制作高速运 动的零部件。此外，镁的低密度还使零件的断面尺寸可以加大，从而可以不必使用大量 的加强筋，达到简化零件结构和力l l 工工序的目的。除此之外，镁合会的其他性能也在各 _ _ a z 31 镁合金m i g 焊接焊缝成形及应力场的数值模拟 种不同用途中起着十分显著的作用，如制造飞机和导弹所需的高温性能( 与塑料和以聚 合物为基的合成材料相比较) ，制造车轮所需的疲劳强度，制造飞机和导弹电子装置箱 体所需的减速震性能，制造电子装置箱体及夹具和装具等所需要的尺寸稳定性，制造工 模具所需的机械加工性能，制造行李箱所需的抗硌伤性能，制造纺织机械所需的无印痕 特性，水泥行业所需的耐碱性，制造x 光底片盒所需的对x 光的低阻抗性能，制造核 燃料罐所需的对热中子的低阻抗性能等等。因此，镁己被用于制造一些军事装备，例如 掩体支架、追击炮底座和导弹等。它还被用于制造飞机和陆地车辆的杠架、壁板、地板、 支架、轮毂，以及发动机的缸体、缸盖箱和活塞等零件。镁还被用于制造各种工业机械。 例如纺织机上的经线卷轴和电动机端盖等：在制造货物装卸转运设备( 例如船坞板和集 装箱等) 时也使用镁。制造粉刷工用的工具、手工工具、计算机柜和其他办公用品( 例 如缝纫机) 和运动器件( 例如射箭运动员用的箭弓柄) 。近年来，镁合金材料在电子、 通讯以及汽车、摩托车工业上的应用有了大的突破，前景十分可观。 在过去的十几年里，镁合金在汽车、3 c 等领域的使用量以每年1 5 左右的速度递 增，这种趋势今后几年还会进一步增加。所以近几年中国以及全球的原镁产量迅速增加， 如表1 2 、图1 1 所示。 表1 22 0 0 0 2 0 0 8 年全球及苹国原镁产量 ( 万吨) t a b1 2t h ep r o d u c t i o no fm a g n e s i u ma tc h i n aa n dw o r l di n2 0 0 0 - 2 0 0 8 ( 10 0 0 0 t o n s ) 9 0 7 0 罾 85 0 翌哇0 3 0 2 0 1 0 o 嘲囊 鐾雾 爹 黧器 ! l 曩 圜囊霪 爹 爹 i 縻 裹 爹 霾 ； 霆 ； ； ； i i l 黪一 i ： 雾 鍪 r ； ； ； 酽 ； i i i l _ i j 级缓敬k ： 赫勉级 第一章绪论 1 1 3 镁合金焊接存在的问题 由于镁合金密度低，熔点低，热导率和电导率大，热膨胀系数大，化学活泼性很强， 易氧化，且氧化物的熔点很高，并且镁及其合金易燃烧，在熔化焊接时需要惰性气体或 焊剂保护因此镁合金在焊接过程中会产生一系列的问题【2 1 。 ( 1 ) 粗晶镁的熔点低，热导率高，焊接时需采用大功率的焊接热源，焊缝及近 缝区易产生过热、晶粒长大、结晶偏析等现象，降低接头性能。 ( 2 ) 氧化与蒸发镁的氧化性极强，易同氧结合，在焊接过程中易形成m g o ，而 m g o 熔点高，密度大，易在焊缝中形成细小片状固态央渣，不仅严重阻碍焊缝成形， 也降低焊缝性能。镁在焊接高温下，还易与空气中的氮化合生成镁的氮化物，氮化镁夹 渣也会导致焊缝金属的塑性下降，使接头性能变坏。镁在沸点不高，在电弧高温下很易 蒸发。 ( 3 ) 薄件的烧穿与塌陷在焊接薄件时，由于镁合金熔点较低，而氧化镁的熔点 很高，两者不易熔合，焊接操作时难以观察焊缝的熔化过程。温度升高，深池的颜色也 没有显著变化，极易产生烧穿和塌陷现象。 ( 4 ) 热应力和裂纹镁及镁合会热膨胀系数较大，约为钢的2 倍，铝的1 2 倍， 在焊接过程中易引起较大的焊接应力与变形。镁易与一些合金元素( 如c u 、a i 、n i 等) 形成低熔点共晶体( 如m g c u 共晶点温度为4 8 0 。c ，m g a i 共晶点温度为4 3 0 c ，m g - n i 共晶点温度为5 0 8 。c ) ，脆性温度区间较宽，易形成热裂纹。研究发现，当w ( z n ) 1 时会 提高热脆性，并可能导致焊接裂纹。在镁中加入w ( a 1 ) 1 0 ，可细化焊缝晶粒，改善焊 接性。含少量t h 的镁合金具有良好的焊接性，无裂纹倾向。 ( 5 ) 气孔焊镁时易产生氢气孔，氢在镁中的溶解度也是随温度的降低而急剧减 小。 ( 6 ) 燃烧镁及其合金在空气环境下焊接时易氧化燃烧，熔焊时需用惰性气体或 焊剂保护。 1 1 4 镁合金焊接研究进展 镁合金焊接性能良好，绝大多数镁合金可以用熔化极惰性气体保护焊( m i g ) 、钨 极惰性气体保护焊( t i g ) 、电阻点焊( s w ) 、激光焊接( l b w ) 、电子束焊接( e b w ) 和搅拌摩擦焊( f s w ) 、钎焊等方法进行焊接。下面对镁合会各种焊接方法的研究进展 做以简单介绍即可。 1 熔化极惰性气体保护焊m i g 新的m i g 焊接法是德国m re t h m e i e r 等人f 3 4 】的成果。在m i o 焊接过程中，因为镁合 a z 31 镁合金m i g 焊接焊缝成形及应力场的数值模拟 金的沸点较低，再加上蒸汽压力上升较快，所以熔滴稍有过热时就会发生爆炸，造成大 量的飞溅，使m i g 焊接过程无法进行下去。m re t h m e i e r 等人发明了一种可控的熔滴形 式，通过控制电流波形使熔滴既可以过渡，又不产生过热。通过波形的第一部分使熔滴 形成短路过渡，此熔滴过渡结束后，产生一个的脉冲电源，使得第二个熔滴平稳地过渡 到熔池。最后采用高速摄影技术进行观察和调节，进而获得理想的熔滴过渡和焊缝成形。 与t i g 焊相比，m i g 焊接方法焊接规范比较窄。但是由于其以焊丝作为电极，所 以m i g 焊的焊接速度非常快，能保证高效高质量地完成焊接生产。镁合金m i g 焊的缺 点是焊接电流过高时熔滴会发生爆炸并蒸发，引起飞溅。这是由于熔融镁的表面张力很 小，熔滴过渡困难所致。 h e l m u t ，w o l l l f a h r t 等研究了a z 31 、a z 6 1 板材m i g 焊接接头的性能，焊接接头的拉 伸强度可以达到母材强度的8 0 1 0 0 ，在反复弯曲应力作用下的疲劳强度为母材强度 的5 0 ，除去余高后的疲劳强度为母材的7 5 1 5 1 。潘际銮院士研制出了工业机器人操作 的m i g 焊机，其焊接的a z 6 1 、a z 3 1 镁合金焊接接头疲劳强度可以达母材的7 5 【6 j 。 德国b r a u n s c h w e i g 焊接研究院r e t h m e i e r ，m 教授研究了镁合金m i g 焊的材料、组织和 电弧物理形态的观察1 7 j 。 m i g 焊接的广泛应用的前提是有高质量的焊丝，镁合金焊丝传统制造方法是通过铸 造和挤压法，但其强度不是很高。同本近几年通过拉拔和挤压相结合的方法制造出强度 很高的镁合金焊丝【8 】。我国在镁合金焊丝这方面的研究比较晚，目前大连理工大学做了 部分镁合金焊丝热挤压、拉拔方面的研究，取得t 好的效果【9 , 1 0 1 。 2 电阻点焊s w 镁合金电阻点焊国内研究的比较多，代表性的清华大学的张晓宏教授和哈工大的王 亚荣教授【1 1 17 1 。前者针对a z 3 1 b 镁合金，制定了合理的焊接工艺，并进行对焊接接头 进行了力学性能测试。后者用对a z 3 1 b 镁合金进行了交流电阻点焊，对焊接接头的力 学性能、显微组织进行了分析，并研究了各焊接工艺参数对焊接接头拉剪力、接头质量 和焊接缺陷的影响规律。 3 钨极惰性气体保护电弧焊t i g 在所有焊接方法中应用最广泛的就是t i g 焊，针对镁合会也不例外，镁合金焊接时 有无焊丝都可进行【1 引。国外，美国的m a r y a ，m 1 1 9 】、以色列的m u n i t z ，a 【2 0 1 、日本的 t s u j i k a w a m 教授【2 l 】等研究了用t i g 焊接各种镁合金时，焊接工艺参数对焊接接头力学 性能和显微组织的影响。国内，哈尔滨工业大学、南昌航空工业学院以及西安理工大学 等院校也丌展了镁合金的t i g 焊接研究，研究内容主要体现在a z 3 1 、a z 6 1 、a z s l 、 6 第一章绪论 a z 9 1 等镁铝锌系上【2 2 。2 6 1 。 4 激光焊接l b w t i g 焊接因为能量密度小，焊接热输入大，容易造成焊缝和热影响区的晶粒粗大， 进而影响到焊缝的性能。但是激光焊接能量集中、热输入小、焊道及热影响区窄、可以 获得较大的熔深，所以在镁合金焊接中得到了广泛的应用【2 7 1 。同时激光焊接也有一定的 缺点，比如在焊接压铸镁合金时，焊缝易产生气孔，而且焊接装置很昂贵。z h a o ，h 等对 镁合金a m 6 0 b 的n d ：y a g 激光焊接过程中气孔的形成机理及防止措施进行了研究， 结果表明焊接时的热输入的变化对气孔的形成有一定的影响，但是小孔的稳定性不再是 主要影响因素矧。m a 巧a ，m 等研究了镁合金的c 0 2 激光焊，发现焊接热输入的大小 与焊缝形态有很大的关系2 9 1 。大连理工大学也研究了镁合金激光焊接的工艺、微观组织 特征分析【3 0 l 。 5 电子束焊 a s a h i n a ，t o s h i k a t s u 等研究了纯镁和a z 3 1 镁合金电子束焊的焊接特性，发现焊速大 小对纯镁板材焊接接头的组织和性能影响不大；但焊速对a z 3 1 镁合金焊接接头的组织 和性能的影响较大，试验发现在焊速为3 5 0 m m m i n 时，焊接接头的强度和伸长率都出 现最大值，为母材强度的9 5 以上，伸长率为母材的2 0 t 3 。d r a u g e l a t e s ，u l r i c h 等研 究了镁合金的非真空电子束焊接工艺及焊接接头的特性【3 2 】。由于焊接装置昂贵，以及对 焊接条件要求高等因素，使得电子束焊接应用较少。 6 搅拌摩擦焊接f s w 7 搅拌摩擦焊是在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法【3 那。美国的e s p a r z a ，j a 等 研究了a z 3 1 b 镁合金的搅拌摩擦焊接工艺，并进行了接头的组织特征研究3 4 1 。t e x a s 大学的a c s o m a s e k h a r a n 教授用f s w 对a z 9 1d 镁合金和6 0 6 1 t 6 铝合金进行了 异种金属焊接，获得了优良性能的焊接接头【3 5 】。日本的n a k a t a k 等研究了a z 9 1 d 板 材的搅拌摩擦焊接的焊接性能f 3 6 】。日本东京大学s e u n gh w a ncp a r k 教授研究了a z 6 1 d 镁合金搅拌摩擦焊微观结构对断裂位置的影响【3 7 】。在国内，哈尔滨工业大学冯吉才教授 【3 8 】和南昌航空工业学院3 9 4 1 1 等对这种焊接方法进行了大量的研究分析，取得了较好的成 果。 7 激光氩弧复合焊接l b - t i g 大连理工大学对镁合金焊接性进行了深入的研究，探索出镁合金激光氩弧复合热 源焊接技术【4 2 4 4 1 ，结果表明l a s e r t i g 复合热源焊【4 5 4 7 1 是一种适用于镁合金的焊接方法。 7 a z 3l 镁合金m i g 焊接焊缝成形及应力场的数值模拟 1 2m i g 焊接过程数值模拟的研究现状 由于m i g m a g 焊接工艺要求焊丝本身做电极，受电极熔化和熔滴过渡的影响，使 m i g m a g 焊熔池内部的流体流动情况及传热过程较之t i g 焊接时更为复杂。这主要体 现在以下几方面： 1 、不同焊接参数下填充金属有不同的熔滴过渡机制； 2 、熔滴过渡带给焊接熔池一部分热量和动量( 熔滴冲击力) ，使焊接熔池的液态金 属表面产生较大的变形，熔池表面的变形改变了电弧电流及热流的分布模式； 3 、填充金属的过渡增加了焊接熔池液态金属的体积，这部分液态金属的分布无疑 会影响熔池内的流场、热场，从而最终影响焊缝的形状。 由于m i g m a g 焊接熔池形态较之t i g 焊接时更为复杂，所以相对于t i g 焊接， m i g m a g 焊接熔池形态的研究较少。二十世纪八十年代以来，随着高速大容量计算机 的出现，数值模拟技术在材料领域也得到了广泛的应用，为m i g 焊接过程中所发生的 一系列复杂物理现象的研究提供了有效的手段。国内外众多的科技工作者运用数值模拟 技术对m i g 焊接过程中的温度场、流场等方面做出了很大的努力。目前，m i g 焊接数 值模拟技术已经涉及多个领域，主要有： ( 1 ) m i g 焊接熔池流体动力学分析； ( 2 ) m i g 焊接过程热传导分析； ( 3 ) m i g 焊接接头组织性能预测； ( 4 ) m i g 焊接应力与变形分析等。 在本文研究过程中主要涉及焊接热传导分析和焊接应力应变分析，在此简单介绍与 此相关的研究领域的研究进展。 焊接过程热传导分析主要是利用数学手段建立焊接温度场方程，然后用一定的方法 求解焊接温度场。目前焊接温度场的求解方法主要有数值解法和解析法。数值解法是建 立在离散数学基础上，利用功能强大的现代计算机，来解决复杂的焊接热传导问题。比 较常用的数值解法有有限元法、数值积分法和有限差分法。解析法建立在数学分析的基 础上，其理论基础严密，求解时，可以清楚地表达物理概念和逻辑推理过程，从而可以 清楚地表示出热传导过程和温度场变化情况。但在处理像边界条件有辐射换热等复杂情 况时，如果不对复杂情况进行简化、假设等，解析法就很难求解了。但是在作了大量假 设后会在一定程度上影响求解的准确性。 下面对科研工作者已建立的关于m i g 焊接熔池流场与热场的数值模型进行简单介 绍。 8 第一章绪论 1 9 8 8 年，t s a okc 和武传松等【4 8 】建立了固定电弧二维m i g 焊接对流、传热模型， 不仅考虑了浮力、电磁力、表面张力的影响，还考虑了射流过渡熔滴之间的能量交换。 但是该文献中没有考虑熔池的表面变形及焊缝余高、未熔透等内容。1 9 9 2 年，武传松【4 9 】 建立了运动电弧作用下三维m i g 熔接熔池中的流体和传热过程的准稳态模型，考虑了 射流过渡及熔滴过热的影响，文献中熔滴带入熔池的焓量在能量方程中作为内部热源项 来处理。该文献中也是没有考虑熔池的表面变形及焊缝余高、未熔透等内容。1 9 9 4 年， k i mjw 和n asj t 5 0 l 建立了g m a w 焊接熔池流场、温度场数值分析模型，同样也没有 考虑熔池的表面变形及焊缝余高、未熔透等内容。1 9 9 7 年，武传松、d o r al 和u s h i om t 5 1 , 5 2 1 建立了三维g m a w 焊接熔池准稳态模型，并且考虑了熔滴冲击力和焓量，但没有考虑 未熔透。1 9 9 8 年，武传松和孙俊生【5 3 , 5 4 1 分析了m i g m a g 焊接熔池表面变形对电弧热流 分布模式的影响；计算熔池表面变形时考虑熔滴冲击力的作用；确定了熔滴焓量在变形 熔池内的分布区域。1 9 9 9 年，f a nhg 和k o v a e e v i cr 1 5 5 1 建立了瞬态二维模型，研究熔 滴的形成、脱离和对熔池的冲击，但未考虑熔滴过渡带入熔池的焓量和未熔透；o h r i n g s 和l u 殍hj 1 5 6 1 建立了三维瞬态模型，通过考虑熔滴对熔池的冲击，对填充金属的影响 加以模拟。2 0 0 1 年，w a n gy 和t s a ihl 【5 7 5 8 1 建立了定点g m a w 焊接模型，考虑了熔 滴对熔池的冲击、表面活性元素对流体流动