船用铝合金结构旁路分流双面电弧焊接工艺及数值模拟研究

摘要

近些年来，铝合金在我国船舶建造领域用途越来越广。由于铝合金拥有重量轻、强度高、耐腐蚀性能强、力学性能良好等优点，采用铝合金结构能极大的提高船舶灵活度、航行速度和使用寿命。传统铝合金焊接方式为钨极氩弧焊/熔化极氩弧焊（TIG/MIG），这两种焊接方式在质量和焊接效率方面都存在一定的局限性。因此开发新的铝合金焊接工艺对加强我国船舶建设具有重大的意义。
　　本文提出旁路分流双面电弧焊(BC-DSAW)这种低热输入高效双面成型焊接工艺方法。与TIG焊、MIG焊和旁路分流单面焊（BC-MIG）这几种焊接工艺进行对比，该焊接工艺能极大的提高熔深和热源熔化效率，同时减少生产过程中的焊接成本。试验探讨了不同焊接工艺参数对铝合金焊缝形貌特征的影响，研究了焊缝接头微观组织，测试了接头拉伸性能和硬度性能，同时考虑到舰船长期在海洋环境中行使，对接头进行腐蚀性能测试，通过分析腐蚀极化曲线和电化学阻抗谱对比焊缝区域和母材区域的耐腐蚀性。
　　研究表明，采用旁路分流双面焊工艺对船用6061铝合金焊接优势非常明显。与TIG焊和BC-MIG焊相比，熔深和热源熔化效率都有一定的提高。熔池在双面热源的作用下发生“1+1＞2”的协同效应，呈现中束腰 X型。微观金相分析表明焊缝区主要成分为Al4.5FeSi强化相，该强化相使得焊缝区域硬度和拉伸性能均高于母材。通过腐蚀试验发现，由于焊材中的Si元素形成的强化相和共晶硅，改善了材料的腐蚀性能，使焊缝区腐蚀程度和抗腐蚀性均优于母材，满足了在实际航行过程中铝合金舰船的强度和耐腐蚀性要求。考虑到旁路分流单面焊工艺中存在耦合电弧相互吸引的特征，通过主焊枪与副焊枪左右偏移，发现双面焊电弧之间同样存在吸引力，同时针对实际生产过程中出现装配精度问题以及铝合金预热对焊接效率的影响，研究了旁路分流双面焊接工艺对焊枪前后偏移的适应性。
　　在试验中得出结论的基础上采用ANSYS有限元方法，选择双椭球体热源分布模型进行数值模拟研究，分析了不同工艺下焊接过程中的温度场和应变场，结果表明双面焊温度场分布与实际焊接熔池形貌吻合度较高。同时由于双面施加热源，对控制板材焊接变形起到积极作用。
　　综合结果表明：旁路分流双面焊工艺能大幅提高舰船铝合金结构的焊接效率，具有较高的实用性和可观的应用前景。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 船用铝合金研究现状及发展趋势

1.3 铝合金双面焊接工艺研究现状

1.4 焊接温度场和应力场研究进展

1.5 本文主要研究内容和意义

第2章 试验条件与试验方法

2.1 试验材料

2.2 试验装置

2.3 试验方法

2.4 接头组织成分制备与观察

2.5 接头力学性能测试

2.6 接头腐蚀性能测试

2.7 本章小结

第3章 旁路分流双面焊接工艺研究

3.1 旁路分流单面焊接工艺

3.2 旁路分流双面焊最佳工艺参数

3.3 旁路分流双面焊工艺参数对焊缝成形的影响

3.4 本章小结

第4章 6061铝合金焊缝接头分析

4.1 焊缝接头形貌

4.2 焊接接头力学分析

4.3 接头腐蚀特性

4.4 本章小结

第5章 旁路分流双面焊热传输机理与应变场分析

5.1 基于ANSYS的焊接模拟

5.2 数值计算结果及分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢