铝合金T型接头双束激光双侧同步焊接的数值模拟研究

论文摘要

高强铝合金薄板焊接结构替代传统的铆接结构能够有效减轻大型客机自重、降低生产成本、增加构件的承载能力。但大型铝合金薄壁件T型结构的双激光束双侧同步焊接(BSLBW)存在的焊接工艺问题、焊接残余应力及变形的控制问题等,使其实际应用受到了一定限制。本文针对某大型客机机身壁板铝合金6156蒙皮与铝合金6056桁条组成的T型接头,进行BSLBW的试验和数值模拟的研究。首先针对T型接头的BSLBW进行不同焊接工艺参数匹配的探索性研究,获得T型接头激光焊较优的工艺参数范围。然后对不同焊接功率和焊接速度条件下的焊缝成形进行了数值模拟和焊接试验,得出焊接功率和焊接速度对焊缝成形的影响规律。最终确定了本文所研究的薄板铝合金T型接头BSLBW的最优工艺。其次计算了单桁条基本件的焊接过程温度场、残余应力和变形,模拟结果与焊后试验测量结果吻合良好。研究结果表明:T型接头角焊缝的纵向残余应力明显高于横向残余应力,纵向压应力分布集中于很小的范围内,且最高应力值达到350MPa;单桁条基本件的焊后变形在一定范围内随焊接线能量的增大而增大。最后针对飞机壁板大型构件的三桁条典型件和七桁条模拟段的焊接温度场、应力场和变形进行了有限元分析,并进行了典型件焊接的试验验证。通过对典型件的三个桁条的焊接顺序优化研究,提出了控制典型件焊后变形方案。在此基础上,针对飞机壁板实际构件模拟段的七个桁条的焊接顺序进行优化研究,按照本文提出的装卡条件采用从两侧向中心逐步对称焊接的顺序,可获得较小的焊接变形。研究成果可用于指导大型客机机身壁板的生产制造过程,可提高生产效率,降低实验成本,从而提高铝合金薄板T型接头BSLBW技术在大型客机制造领域的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 激光焊接数值模拟国内外的发展与研究现状
• 1.2.1 激光焊接热源的发展与研究现状
• 1.2.2 激光焊接残余应力数值模拟的发展与研究
• 1.3 铝合金T 型接头双侧同步焊接的研究
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第2章 试验内容与方法
• 2.1 双激光束双侧同步焊接试验
• 2.1.1 T 型接头材料与尺寸
• 2.1.2 试验设备
• 2.1.3 试验内容
• 2.2 材料参数测量试验
• 2.2.1 材料力学性能测试
• 2.2.2 材料热学性能测试
• 2.3 应力场测量
• 2.4 变形测量
• 第3章 T 型接头构件有限元模型的建立及其前处理
• 3.1 T 型接头有限元网格的划分
• 3.2 激光热源模型与双光束的实现
• 3.3 材料物理性能参数定义
• 3.4 边界条件与初始条件的定义
• 3.5 本章小结
• 第4章 基本件数值模拟与试验研究
• 4.1 热源校核
• 4.2 激光焊接工艺研究
• 4.2.1 不同激光焊接工艺参数匹配的模拟
• 4.2.2 焊接工艺参数对焊缝成形的影响
• 4.2.3 最佳焊接工艺的确定
• 4.3 单桁条基本件的模拟与试验结果
• 4.3.1 单桁条基本件温度场结果
• 4.3.2 单桁条基本件残余应力场结果与分析
• 4.3.3 单桁条基本件变形结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 飞机壁板大型构件的数值模拟
• 5.1 典型件的模拟与试验结果
• 5.1.1 典型件温度场
• 5.1.2 典型件应力结果
• 5.1.3 典型件变形结果
• 5.2 模拟段焊接顺序的优化研究
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢