论文题目：车用铝合金薄板双脉冲MIG焊接头的非匹配成型及力学性能研究
摘要：面向新能源汽车融汇新材料、智能网联、移动互联等技术的发展规划,铝合金等轻质材料在新能源汽车中受到了青睐。铝合金材料在车身结构中的成功应用不但取决于先进的成型工艺,还依赖于可靠的连接技术。双脉冲熔化极惰性气体保护焊（Double-pulse Metal Inert Gas Welding,双脉冲MIG焊）因具有较高的自动化程度和焊接效率,成为了铝合金车身制造领域应用最广泛的连接工艺之一。然而,焊接成型会导致铝合金接头存在几何特征、化学成分、微观组织和力学性能的多源非均质性,因此形成了非匹配焊接接头,降低了连接强度。此外,接头的非匹配性也影响了薄板焊接结构的承载极限,给焊接结构在铝合金车身中的应用带来了困难。本文以双脉冲MIG焊为连接技术,以试验数据为基础,对铝合金薄板焊接接头的非匹配成型及力学性能展开了一系列研究。通过设计焊接工艺参数实现了对非匹配焊接接头性能的有效控制,结合试验与仿真结果分析了非匹配焊接接头的静力学性能以及接头非匹配性对薄板焊接结构承载极限的影响,为铝合金薄板焊接结构在车身中的应用提供理论基础。具体内容如下:首先,分析了6061-T6铝合金薄板双脉冲MIG焊接热循环特性、焊接接头各区域几何特征、微观组织及力学性能的非匹配性。通过试验研究了各焊接区域的热循环特性、几何特征、微观组织和力学性能,探究了焊接热循环对不同焊接区域微观组织的演变规律,并分析了微观组织特征对材料力学性能的影响机理,从而得到了焊接热循环特性、微观组织及力学性能之间的相互作用和内在联系。其次,采用混合优化策略对非匹配焊接接头的成型工艺参数稳健性设计。根据试验设计结果分析对焊接接头性能影响显著的工艺参数,同时评估工艺参数扰动对性能稳健性的影响。通过可靠性多目标优化设计焊接成型工艺参数,从而以较高概率制造出高性能的焊接接头。并基于车身结构在典型工况下的多轴载荷关系决策出最优焊接工艺参数,使得焊接接头性能与车身结构性能达到了确定性和稳健性的双重匹配。然后,通过调节热处理工艺参数实现对焊接接头力学性能的有效控制。采用控制变量试验研究预热温度、焊后时效温度和时效时间对非匹配焊接接头微观组织的调控及其对接头力学性能的间接影响。通过数理统计方法拟合热处理工艺参数与接头力学性能的响应面模型,基于近似模型对热处理工艺参数优化设计,同时提高接头的力学性能及其可靠性。并根据车身结构载荷特性决策出最优热处理工艺参数,从而实现了设计与应用的一体化优化。接下来,采用试验-仿真循环验证方法探究非匹配焊接接头的静力学性能及失效机理。基于焊接接头的非匹配成型提出热力-力顺序耦合仿真建模方法,首先通过热力模拟分析焊接热循环特性和焊后残余应力;随后参考热力模拟结果建立涵盖局部几何特征、材料力学性能和残余应力分布的力学仿真模型,并利用该模型分析非匹配焊接接头的力学性能。结合试验与仿真结果分析焊接成型对接头力学性能的影响,并探究了接头失效断裂的原因,从而实现对非匹配焊接接头力学性能及失效断裂特性的分析与预测。最后,揭示接头几何特征和材料力学性能非匹配性对薄板焊接结构承载极限的影响机理。根据各焊接区域的硬度分布建立非匹配焊接结构四材料等效模型,仿真分析接头非匹配性对薄板焊接结构力学性能的影响规律,并探究产生影响的原因。通过统计仿真结果,分析各匹配参数对焊接结构承载极限的主效应、交互效应和贡献度,并建立用于评估非匹配焊接结构强度系数的经验模型,从而实现对焊接结构极限承载能力的预测,为铝合金薄板焊接结构在车身中的应用提供理论基础。
关键词：车身结构;铝合金;双脉冲MIG焊;非匹配焊接接头;力学性能
学科专业：机械工程（车身工程）
指导教师对博士论文的评阅意见
指导小组对博士论文的评阅意见
答辩决议书
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 铝合金薄板双脉冲MIG焊
1.2.1 铝合金薄板焊接存在的问题
1.2.2 铝合金薄板双脉冲MIG焊接特性
1.3 铝合金薄板双脉冲MIG焊接头的非匹配性
1.3.1 热循环特性研究
1.3.2 金相组织的非匹配性研究
1.3.3 力学性能的非匹配性研究
1.4 铝合金双脉冲MIG焊接工艺研究
1.4.1 焊接成型工艺研究
1.4.2 热处理工艺研究
1.5 铝合金非匹配焊接接头的力学性能研究
1.5.1 非匹配焊接接头的力学性能研究
1.5.2 接头非配性对焊接结构的影响研究
1.6 论文选题与研究内容
第2章 铝合金薄板焊接接头热循环、组织及性能的非匹配性
2.1 引言
2.2 试验材料及设备
2.2.1 试验材料
2.2.2 焊接设备
2.2.3 焊接夹具
2.2.4 热处理设备
2.3 双脉冲MIG焊接热循环特性
2.3.1 焊接热循环试验
2.3.2 焊接热循环特性
2.4 双脉冲MIG焊接头微观组织特性
2.4.1 双脉冲MIG焊接头化学成分
2.4.2 双脉冲MIG焊接头宏观形貌
2.4.3 双脉冲MIG焊接头金相组织
2.4.4 双脉冲MIG焊接头晶粒尺寸
2.4.5 双脉冲MIG焊接头沉淀相粒子
2.5 双脉冲MIG焊接头力学性能
2.5.1 试验样件设计与制作
2.5.2 非匹配焊接接头的显微硬度
2.5.3 非匹配焊接接头的力学性能
2.5.4 非匹配焊接接头的损伤行为
2.5.5 非匹配焊接接头的断裂特征
2.5.6 非匹配焊接接头的断口形貌
2.6 焊接热循环对接头非匹配性的影响
2.6.1 焊接热循环对微观组织的影响
2.6.2 微观组织对力学性能的影响
2.7 本章小结
第3章 非匹配焊接接头成型工艺参数的稳健性设计
3.1 引言
3.2 焊接成型工艺参数试验设计
3.2.1 焊接成型工艺参数
3.2.2 焊接接头性能响应
3.2.3 混合优化策略
3.3 焊接试验结果
3.3.1 工艺参数筛选
3.3.2 近似模型建立
3.4 成型工艺参数的稳健性多目标优化设计
3.4.1 接头性能的稳健性分析
3.4.2 成型工艺参数的稳健性多目标优化设计
3.4.3 基于车身结构性能需求的决策准则
3.4.4 优化结果及试验验证
3.5 本章小结
第4章 热处理调控对非匹配焊接接头性能的影响研究
4.1 引言
4.2 非匹配焊接接头热处理组织调控
4.2.1 热处理调控对晶粒组织的影响
4.2.2 热处理调控对沉淀相粒子的影响
4.2.3 热处理调控对力学性能的影响
4.3 热处理工艺参数试验设计
4.3.1 热处理工艺参数
4.3.2 焊接接头性能响应
4.3.3 焊接试验结果
4.4 热处理工艺参数的稳健性多目标优化设计
4.4.1 接头性能的稳健性分析
4.4.2 热处理工艺参数的稳健性多目标优化设计
4.4.3 优化结果及试验验证
4.5 本章小结
第5章 焊接成型对非匹配焊接接头静力学性能的影响研究
5.1 引言
5.2 焊接成型热力模拟分析
5.2.1 热力模拟几何模型
5.2.2 热力模拟边界条件
5.2.3 材料热物理及热力学参数
5.2.4 热力模拟结果验证与分析
5.3 非匹配焊接接头力学模拟分析
5.3.1 力学模拟几何模型
5.3.2 力学模拟边界条件
5.3.3 材料力学性能参数
5.3.4 力学模拟结果验证与分析
5.4 焊接成型对非匹配焊接接头的影响
5.4.1 焊接过程对接头非匹配成型的影响
5.4.2 残余应力对接头力学性能的影响
5.5 非匹配焊接接头的静态力学性能
5.5.1 非匹配焊接接头的力学性能
5.5.2 非匹配焊接接头的失效机理
5.6 本章小结
第6章 接头非匹配性对薄板焊接结构承载极限影响的研究
6.1 引言
6.2 铝合金硬度与强度理论关系
6.3 薄板焊接结构等效模型
6.3.1 焊接接头四材料等效模型
6.3.2 模型仿真结果验证
6.4 接头非匹配性对薄板焊接结构力学性能的影响
6.4.1 匹配参数设计
6.4.2 焊缝中心区对薄板焊接结构力学性能的影响
6.4.3 硬化区对薄板焊接结构力学性能的影响
6.4.4 软化区对薄板焊接结构力学性能的影响
6.5 匹配参数对薄板焊接结构承载极限的影响机理
6.5.1 试验设计方法
6.5.2 匹配参数的主效应分析
6.5.3 匹配参数的交互效应分析
6.5.4 匹配参数的显著性分析
6.6 薄板焊接结构承载极限的经验模型
6.6.1 焊接结构承载极限的多元回归方程
6.6.2 经验模型预测结果验证
6.7 本章小结
第7章 全文总结与研究展望
7.1 全文总结
7.2 主要创新点
7.3 展望
参考文献
作者简介及科研成果
致谢