铝钢异种金属双旁路耦合电弧MIG熔钎焊方法及机理研究

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51165023
项目类别：
地区科学基金项目
资助金额：
51.0万
负责人：
石玗
依托单位：
兰州理工大学
学科分类：
E0508.成形制造
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
顾玉芬；梁卫东；卢立晖；薛诚；和平安；郭朝博；沈利民；王钊；温俊霞；
关键词：
数值分析铝钢异种金属焊接双旁路耦合电弧MIG焊结合机理

项目摘要

提出了一种热输入精确可控的脉冲双旁路耦合电弧MIG焊新方法，用于铝钢熔钎焊可有效控制接头界面有害金属间化合物的生成。前期研究证明该方法可行。项目将对以下科学问题进行研究：（1）建立脉冲双旁路耦合电弧数学模型，分析其稳定性控制的边界条件；（2）通过实验和理论建模结合，建立双旁路耦合电弧MIG焊条件下的铝钢界面温度场数值分析与计算模型，分析旁路耦合电弧参数对连接界面温度场的影响规律；（3）分析探讨旁路耦合电弧参数、铝钢微熔连接界面温度场分布对金属间化合物厚度、生成相和接头性能的影响规律，研究其冶金结合机理，为工艺优化提供理论依据。在此基础上完成技术及装置原型。本课题的研究对丰富电弧物理、异种金属连接理论等具有重要的价值，对其它轻金属与钢的焊接也具有重要的理论参考意义，并有望发展出一种用于铝－钢异种金属连接的电弧焊新方法，在汽车、高速列车、航空航天等工业领域具有重要的实用价值。

结项摘要

铝和钢是目前使用最为广泛的有色和黑色金属，二者的应用具有广泛性的交叉性，将铝合金和钢进行焊接后形成复合结构具有许多优异的特性和重要的工程应用前景。但实现其良好连接仍存在许多困难。为此本项目创新性地提出了脉冲旁路耦合电弧MIG熔钎焊方法，有利于精确控制焊接熔滴过渡及母材热输入，实现铝-钢异种金属的焊接。本项目主要围绕以下内容展开研究：. 一、脉冲旁路耦合电弧MIG焊原理及稳定性控制研究：首先通过建立耦合电弧的数学模型，提出了通过控制主路电弧来稳定整个耦合电弧的控制方案；其次基于快速原型的软硬件实验系统，分别采用主路平均电弧电压反馈和视觉反馈实现了耦合电弧及焊接工艺的稳定性控制；. 二、铝-钢脉冲旁路耦合电弧MIG熔钎焊工艺机理与优化：首先研究了焊接参数对铝-钢接头成形的影响；其次利用高速摄像研究了脉冲参数对熔滴过渡的影响规律；最后通过热循环曲线测试，证明了该方法可以通过调节旁路电流的精确控制母材热输入的大小；. 三、铝-钢脉冲旁路耦合电弧MIG熔钎焊热物理过程的数值模拟：首先建立了耦合电弧的有限元模型，并模拟分析了耦合电弧温度场、流场、磁场的变化情况；其次对铝-钢接头界面处温度场和原子扩散行为进行了模拟研究；最后对接头界面区的铁铝锌三元化合物的形成过程进行了热力学与动力学的模拟分析；. 四、铝-钢异种金属熔钎焊接头界面区形成及组织演化：1）提出了铝-钢接头界面区金属间化合物的形成机理；2）基于蒙特卡罗随机计算方法，采用区域吉布斯自由能为驱动，模拟了界面区Fe-Al金属间化合物的生成可能性及分布行为；3）提出了Zn元素对接头性能的影响并采用吉布斯-马尔可夫随机场理论研究了其在界面区的迁移行为；4）分析了Si、Mg元素对生成金属间化合物的影响并通过建立生长模型模拟了金属间化合物的晶粒生长取向。. 五、铝-钢异种金属熔钎焊接头质量及性能特征的研究：首先通过力学性能测试分析了焊接参数对接头力学性能的影响规律；其次分析了焊接热输入、焊丝中合金元素、退火工艺对接头腐蚀性能的影响；最后分析了焊接热输入对接头弯曲疲劳性能的影响。. 本项目通过对以上方面的深入研究，形成了铝钢异种金属熔钎焊方法工艺控制-热物理过程-界面行为-组织演变-性能评价完整的方法和理论体系，对研究异种金属的连接工艺、接头形成的机理及质量控制等问题提供了有力的科学依据。