钛合金电子束深熔焊传热传质及质量控制研究

论文摘要

大厚度钛合金电子束焊接结构在航空航天工业中具有广阔的应用前景,但是目前在钛合金电子束深熔焊过程中极易出现钉尖缺陷,会显著降低接头性能,为了保证焊接质量,本文对钉尖缺陷的形成机理及其控制措施进行了研究。采用数值模拟的方法建立了钛合金电子束深熔焊温度场模型,计算结果表明,电子束焊接过程中升温降温速度极快,当焊接过程进入准稳态之后,温度场分布基本保持不变,熔池中心的峰值温度维持在3200℃左右。并利用热电偶测温和对比焊缝横截面形貌的方法对模拟结果进行了验证,模拟结果与试验数据吻合较好,证明了所建数值分析模型是正确的。在温度场计算结果的基础上,对钛合金电子束深熔焊的流场进行了计算,初步分析了熔池流场形成机理。研究表明,表面张力梯度、金属蒸汽反冲压力和流体静压力是熔池内液态金属流动的主要驱动力。熔池表面的流体在表面张力梯度的作用下运动最剧烈,其最大速度可达0.295m/s。随着熔深的加深,液态金属的运动逐渐减弱。以钨作为示踪元素,通过能谱分析研究了电子束深熔焊接头钨元素的分布情况,并进而分析了电子束深熔焊过程中,熔池内液态金属的流动和传质行为。最后,结合元素示踪试验和数值模拟结果,对电子束深熔焊熔池内流体流动规律进行了归纳总结。结合电子束深熔焊流场模型,对大厚度钛合金电子束焊接接头钉尖缺陷的形成机理进行了研究。结果表明,电子束脉动是形成钉尖缺陷的直接原因,高饱和蒸汽压金属蒸汽是形成钉尖缺陷的重要原因。对熔透实施精确控制,实现全熔透焊接,是解决电子束深熔焊钉尖缺陷出现的最有效方案。为了控制钉尖的产生,对钛合金电了束深熔焊熔透控制系统进行了研究。搭建了一套适合于电子束焊的彩色熔池图像视觉传感系统,实现了熔池图像的实时传感与采集。对熔池图像处理算法进行了研究,实现了熔宽的准确提取。根据试验数据,建立了钛合金电子束焊熔深的BP神经网络预测模型,能够根据焊接参数和熔宽预测熔深,可设计以熔宽为被控变量、电子束流为控制变量的模糊控制器。将BP神经网络模型和模糊控制器结合起来,建立钛合金电子束焊熔透控制系统模型,并对该模型进行了仿真试验,试验结果表明,所设计的控制系统动态性能和稳态性能良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 钛合金焊接技术研究现状
• 1.2.1 钛合金电弧焊研究现状
• 1.2.2 钛合金钎焊研究现状
• 1.2.3 钛合金搅拌摩擦焊研究现状
• 1.2.4 钛合金高能束焊研究现状
• 1.3 电子束深熔焊钉尖缺陷研究现状
• 1.4 电子束焊接温度场的数值模拟研究现状
• 1.5 电子束焊接熔池流场及其传质行为的研究现状
• 1.5.1 电子束焊接熔池流场的数值模拟研究
• 1.5.2 电子束焊接熔池流场及其传质行为的试验研究
• 1.6 焊接过程视觉传感及质量控制研究现状
• 1.6.1 焊接过程视觉传感研究现状
• 1.6.2 焊接过程质理控制研究现状
• 1.7 本课题主要研究内容及创新点
• 1.7.1 主要研究内容
• 1.7.2 论文创新点
• 第2章 试验材料、设备及方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验设备
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 焊前准备
• 2.3.2 焊接工艺过程
• 2.4 焊接接头的分析测试
• 2.4.1 接头显微组织与能谱分析
• 2.4.2 接头力学性能测试
• 2.5 有限元计算
• 第3章 钛合金电子束深熔焊热过程有限元分析
• 3.1 焊接温度场热传导控制方程
• 3.2 几何模型的建立和网格划分
• 3.3 热源模型
• 3.4 液/固相变潜热的处理
• 3.5 初始条件和边界条件
• 3.6 热物理性能参数的处理
• 3.7 计算结果与讨论
• 3.8 模拟结果试验验证
• 3.9 本章小结
• 第4章 电子束深熔焊熔池流场及其传质行为研究
• 4.1 熔池流场的有限元分析
• 4.1.1 熔池流场控制方程
• 4.1.2 匙孔动力学分析
• 4.1.3 几何模型的建立和网格划分
• 4.1.4 液/固两相同一化
• 4.1.5 熔池自由表而的追踪
• 4.1.6 初始条件和边界条件
• 4.1.7 热物理性能参数的处理
• 4.1.8 计算结果与分析
• 4.2 熔池传质行为的试验研究
• 4.2.1 元素示踪试验
• 4.2.2 试验结果及分析
• 4.3 溶池流场综合分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 钛合金电子束深熔焊接头组织及钉尖缺陷研究
• 5.1 接头显微组织及相组成
• 5.1.1 试验方法
• 5.1.2 接头横截面宏观形貌
• 5.1.3 母材区显微组织及相组成
• 5.1.4 焊缝区显微组织及相组成
• 5.1.5 热影响区显微组织及相组成
• 5.2 电子束深熔焊钉尖缺陷研究
• 5.2.1 钉尖缺陷形貌特征
• 5.2.2 钉尖缺陷的工艺试验研究
• 5.2.3 钉尖缺陷的形成机理研究
• 5.3 本章小结
• 第6章 电子束深熔焊熔透控制系统建模与仿真
• 6.1 真空图像传感系统的搭建
• 6.1.1 系统的组成
• 6.1.2 CCD摄像机及镜头的选择
• 6.1.3 CCD摄像机的电磁屏蔽
• 6.1.4 复合滤光系统的设计
• 6.1.5 视觉传感系统的标定
• 6.2 熔池图像处理和熔宽提取
• 6.2.1 熔池图像的处理
• 6.2.2 熔宽提取
• 6.3 熔透控制系统建模与仿真
• 6.3.1 BP神经网络模型的建立
• 6.3.2 模糊控制器的设计
• 6.3.3 控制系统建模与仿真
• 6.4 本章小结
• 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录