颗粒增强铝基复合材料的电子束焊接工艺及数值模拟

论文摘要

颗粒增强铝基复合材料由于具有重量轻、比强度和比模量高、热膨胀系数小、耐高温、耐磨、抗腐蚀和尺寸稳定性好等特点,在航空航天、汽车、电子和兵器等许多领域具有广泛的应用前景,成为当今材料科学与工程领域的研究热点之一。为了加快该类材料在实际生产中的应用,研究开发合适的焊接技术十分重要。然而,由于复合材料的基体金属与增强相之间的物理和化学性质相差较大,因此,采用常规的熔化焊方法很难获得优质焊接接头。相比而言,电子束焊接方法由于具有能量高度集中、热循环速度快和工件热输入小等特点,用于SiCp/Al复合材料焊接时,可在一定程度上减少基体Al合金与增强相SiC颗粒之间的界面反应,避免对增强相造成大的损伤。基于此,开展颗粒增强铝基复合材料的电子束焊接研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本文中研究的主要内容有:选用双椭球函数分布的热源模型,对焊接过程中的温度和应力分布进行实时动态模拟,模拟分析结果为焊接工艺的改进和工艺参数优化提供理论指导;分别对SiCp/101Al、Al2O3p/6061Al复合材料进行电子束焊接工艺试验,较深入地分析SiCp/101Al复合材料电子束焊接头的显微结构特点、力学性能及断裂特征和工艺参数对接头组织与力学性能的影响规律,初步探讨了Al2O3p/6061Al复合材料真空电子束焊接的可行性。温度场数值模拟分析结果表明,选用双椭球热源模型可准确地模拟出电子束焊接温度场分布,焊接时采用低输入功率、快速焊接可降低焊接熔池的温度,获得分布区域狭窄的焊缝;应力场模拟结果表明,在本文中试验条件下,采用电子束焊接颗粒增强铝基复合材料(SiCp/101Al、Al2O3p/6061Al),焊后接头的残余应力值较小,对焊件结构几乎没有影响。对SiCp/101Al复合材料的电子束焊接工艺研究发现,焊接过程中采用快的焊接速度并配合使用电子束扫描﹑修饰焊,可降低焊接熔池的温度、改善熔池金属的流动性,大大抑制SiC/Al之间界面反应的发生,避免接头焊缝中出现SiC颗粒分布不均现象。对接头进行TEM分析表明,部分SiC/Al界面处有界面Si生成,可在一定程度上改善SiC颗粒与铝基体之间的润湿性;对Al2O3p/6061Al复合材料电子束焊接工艺研究发现,所获接头的成分与母材中的大致相同,焊缝组织致密,未见有气孔、夹杂和微裂纹等缺陷,拉伸实验和硬度测试结果表明,接头的力学性能指标未见有大幅度下降,说明采用该焊接方法进行Al2O3p/6061Al复合材料的连接是可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铝基复合材料概述及其焊接特点
• 1.2.1 铝基复合材料概述
• 1.2.2 铝基复合材料的焊接特点
• 1.3 铝基复合材料的主要连接方法
• 1.3.1 TIG 焊和MIG 焊
• 1.3.2 钎焊
• 1.3.3 固相连接
• 1.3.4 其他焊接方法
• 1.4 电子束焊接简介
• 1.4.1 电子束焊接的发展概况
• 1.4.2 电子束焊接基本原理
• 1.5 电子束焊接有限元模拟的研究进展
• 1.6 本文主要研究内容
• 第二章 试验材料和方法
• 2.1 研究方法
• 2.2 试验材料及设备
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 试验设备
• 2.3 实验方案
• 2.3.1 电子束焊接数值模拟
• 2.3.2 电子束焊接工艺实验
• 2.3.3 接头力学性能分析
• 2.3.4 接头微观组织结构分析
• 第三章 颗粒增强铝基复合材料电子束焊接数值模拟
• 3.1 有限元模拟理论基础
• 3.1.1 传热方式简介
• 3.1.2 焊接温度场理论基础
• 3.1.3 热应力场分析基本理论
• 3.2 有限元模拟的前处理过程
• 3.2.1 定义单元类型
• 3.2.2 定义材料属性
• 3.2.3 实体模型建立及网格划分
• 3.3 热源模型及加载
• 3.3.1 热源模型的建立
• 3.3.2 电子束焊接热源模型的选取及参数确定
• 3.4 SICP/101AL 电子束焊接模拟结果分析与讨论
• 3.4.1 焊接温度场模拟
• 3.4.2 接头应力场模拟
• 2O₃P/6061AL 电子束焊接模拟结果分析与讨论'>3.5 Al₂O₃P/6061AL 电子束焊接模拟结果分析与讨论
• 3.5.1 焊接温度场模拟
• 3.5.2 接头应力场模拟
• 3.6 本章小结
• 第四章 SICP/101AL 复合材料电子束焊接工艺
• 4.1 焊接工艺参数对接头力学性能的影响
• 4.1.1 工艺参数对接头抗拉强度的影响
• 4.1.2 工艺参数对接头显微硬度的影响
• 4.2 接头微观组织结构分析
• 4.2.1 接头金相组织分析
• 4.2.2 拉伸断口扫描分析
• 4.2.3 接头相结构及微区成分分析
• 4.2.4 透射电镜观察
• 4.3 焊接试件中存在的缺陷及防止措施
• 4.4 焊接接头的微连接机理
• 4.4.1 增强相/基体之间界面结合
• 4.4.2 增强相在焊缝中的分布
• 4.4.3 焊缝金属/母材之间的结合状态
• 4.5 本章小结
• 2O₃P/6061AL 复合材料电子束焊接'>第五章 Al₂O₃P/6061AL 复合材料电子束焊接
• 5.1 接头力学性能测定
• 5.1.1 拉伸实验
• 5.1.2 接头显微硬度分析
• 5.2 接头显微组织分析
• 5.2.1 金相组织观察
• 5.2.2 X 射线衍射相结构分析
• 5.2.3 接头断口SEM 观察
• 5.3 有关基体金属对增强体颗粒的润湿性探讨
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文