中国科学技术信息研究所--国家工程技术数字图书馆

[学位论文] 赵喆山东大学 2022年硕士导师: 郑超共139页

摘要 : 在航空航天领域，铝合金因其轻量与高强的特点被广泛采用。铝合金零部件常通过铣削方式加工，但不同铣削参数下获得的表面质量差异较大，且铣削后的零部件表面存在大量残余拉应力，严重影响其使用寿命。为保证零部件表面质量和强度达到使用需求，光整... 展开在航空航天领域，铝合金因其轻量与高强的特点被广泛采用。铝合金零部件常通过铣削方式加工，但不同铣削参数下获得的表面质量差异较大，且铣削后的零部件表面存在大量残余拉应力，严重影响其使用寿命。为保证零部件表面质量和强度达到使用需求，光整与强化工艺必不可少。激光冲击工艺作为一种高效、精准、灵活、无污染的表面强化手段，显著提升了强化效率。近年来，激光冲击进一步延伸到表面光整工艺，发现合理的工艺设计能够提升表面质量。然而，目前研究仅面向光整或强化单一目的，亟需开展激光冲击光整与强化复合工艺的研究。本文以空天领域常用的2024-T351铝合金为研究材料，分别进行铣削平面和曲面试样的激光冲击光整/强化复合工艺实验与数值模拟研究，对比不同试样在激光冲击过程中的变形行为，分析关键工艺参数对光整及强化效果的影响。主要研究内容及结论如下: (1)在不同接触膜厚度、光斑搭接率、激光能量等参数下进行了平面铣削试样激光冲击光整/强化复合工艺实验，分析了不同初始表面粗糙度试样的表面形貌、表面粗糙度、表面硬度的变化。结果表明，激光冲击对不同初始表面粗糙度试样表面质量的影响程度不同，初始表面粗糙度越大，激光冲击后表面形貌和粗糙度变化越大。使不同初始表面粗糙度试样取得最优光整效果的激光冲击参数不尽相同。试样表面硬度则随接触膜厚度、光斑搭接率、激光能量的增大先上升后下降。 (2)通过准静态和动态力学性能测试得到了2024-T351铝合金Johnson-Cook本构方程，建立了具有不同表面微观形貌特征的平面铣削试样有限元模型并验证了其可靠性。通过分析试样高应变率下的流动行为，发现单次冲击可分为三个变形阶段，并系统计算了应力波在接触膜及试样内部的传播速度与衰减规律。 (3)对比了不同参数对平面铣削试样激光冲击后残余应力场及应变场的影响。研究发现，残余应力场受到试样初始表面粗糙度、激光冲击参数和接触膜形变程度的综合影响，而应变场则仅与前两项因素关系密切。计算了不同参数下试样激光冲击过程中温度变化，证明了该复合工艺过程中无明显热效应。 (4)研究了曲面铣削试样表面曲率半径、光斑搭接率、激光能量等参数对激光冲击后试样表面质量的影响，发现无接触膜时激光冲击作用仍可降低表面粗糙度，但对表面形貌提升作用有限。有限元分析结果表明，曲面试样变形仍可分为三个阶段，但每个阶段内速度场特征与有接触膜时不同。对于不同表面形状试样的最大残余压应力，凹曲面试样最大，平面试样次之，凸曲面试样最小。收起

关键词 : 航空航天铝合金铣削加工激光冲击光整强化复合工艺

2. 中厚板Q690D高强钢激光-药芯焊丝电弧复合焊接工艺及组织性能

[学位论文] 孙伟山东大学 2022年硕士导师: 邹勇共129页

摘要 : 800MPa级低合金高强钢板Q690具有优异的强韧性，被广泛应用于工程、港口机械及海洋装备等领域。然而传统焊接工艺在焊接Q690中厚板时存在焊接热输入高、焊接变形大、焊接效率低等生产问题。激光.电弧复合焊接技术能够充分发挥激光和电弧热源的优势，具... 展开 800MPa级低合金高强钢板Q690具有优异的强韧性，被广泛应用于工程、港口机械及海洋装备等领域。然而传统焊接工艺在焊接Q690中厚板时存在焊接热输入高、焊接变形大、焊接效率低等生产问题。激光.电弧复合焊接技术能够充分发挥激光和电弧热源的优势，具有熔深大、桥接能力强、焊接速度快、热输入低、焊接变形小等优点，展现出对中厚板高强钢焊接的显著优势。本文以16mm厚Q690D钢为研究对象，展开激光-电弧复合焊接试验，配以综合焊接性能更好的药芯焊丝，系统地研究了激光.药芯焊丝电弧复合焊接过程中工艺参数对焊接性能的作用规律，对比分析了Q690D复合焊接接头与激光焊接接头的组织及性能。首先针对激光的引入和焊接引导方式对复合焊接熔滴过渡行为及焊接稳定性的影响规律进行了研究。研究表明随着焊接电流的增加，药芯焊丝电弧焊及复合焊接过程中共观察到短路过渡、大滴过渡和射滴过渡三种基本的熔滴过渡模式;在复合焊接中，激光对电弧的吸引和压缩导致作用于熔滴上的电磁力与等离子流力发生变化，进而引起熔滴过渡行为及焊接稳定性的变化;不同引导方式的复合焊接在三种熔滴过渡模式中的熔滴过渡行为和焊接稳定性不同，其中，射滴过渡模式下的电弧引导复合焊接具有最高的焊接稳定性。进一步，系统地研究了激光.药芯焊丝电弧复合焊接中各工艺参数对焊缝成形的作用效果及工艺参数之间的相互作用关系。研究发现复合焊接可以在相同激光功率下获得比激光焊接更大的焊缝熔深，在相同电弧功率下具有比电弧焊更大的焊缝熔宽与更稳定的焊道;随着焊接电流的增大和焊接速度的减小，电弧热源对激光热源的促进效果更加明显，对提高复合焊接熔深具有积极的意义:光丝间距通过影响复合焊接过程中激光的实际作用位置与两种热源耦合效应的强弱而影响焊接熔深;电弧引导模式可以获得更大的焊缝熔深与更小的焊缝熔宽，更有利于发挥激光热源的潜力。通过施加焊剂衬垫，在优化的复合焊接工艺参数下，实现了不开坡口16mm厚Q690D钢对接接头的全熔透单面单道焊双面成形，所得焊接接头成形良好，接头内部无侧壁未熔合、裂纹等缺陷:而使用单道激光焊接工艺则无法实现焊接接头良好的全熔透单面焊双面成形效果，复合焊接具备更显著的工艺优势。随后对Q690D复合焊接接头及激光焊接接头进行了组织表征。发现复合焊接接头的焊缝区及热影响区中淬硬组织含量更低;两种焊接接头的晶粒尺寸从大Nd,均为复合焊接电弧作用区＞复合焊接激光作用区＞激光焊接:焊接接头中的组织尺寸与焊接热输入有关，采用的功率参数愈大，奥氏体晶粒的粗化愈加显著，粗大的奥氏体晶粒在后续的过冷连续转变中生成的二次组织也会更为粗大。最后对Q690D复合焊接接头及激光焊接接头进行了力学性能与耐蚀性能测试。结果表明复合焊接接头具有明显更低的显微硬度分布:拉伸试验中两种焊接工艺的试样均断于母材，复合焊接中使用“低强匹配”的药芯焊丝并未引起接头强度的降低:两种焊接接头不同区域的低温(-20℃)冲击吸收功均高于标准规定的临界值，焊接接头不同区域的冲击韧性由大Nd,均为母材＞焊接热影响区＞焊缝，冶金工艺与微观组织上的差异是导致冲击韧性变化的主要原因。复合焊接接头不同区域在3.5wt.％NaCl溶液中的耐蚀性由大到小依次为焊缝＞母材＞热影响区，而纯激光焊接接头由于无焊丝填充其焊缝的耐蚀性弱于母材，合金元素与微观组织上的差异是导致焊接接头不同区域耐蚀性能变化的主要原因。本文对Q690D高强钢激光-药芯焊丝电弧复合焊接的工艺、组织及性能进行了研究，对Q690D高强钢激光-药芯焊丝电弧复合焊接的综合焊接性能作出客观评价，研究结果可为中厚板调质高强钢的激光-电弧复合焊接提供必要的试验方法和理论依据，以推动激光-电弧复合焊接技术的进一步应用。收起

关键词 : 高强钢激光焊接药芯焊丝电弧焊组织性能

3. Mo2FeB2粉末激光熔覆层组织和性能研究

[学位论文] 徐虎山东大学 2022年硕士导师: 孙俊生共125页

摘要 : Mo2FeB2金属陶瓷是三元硼化物金属陶瓷领域的研究热点，目前Mo2FeB2金属陶瓷采用真空烧结工艺制备，设备投资大、生产效率低、成本高、工程应用的适应性差。研究Mo2FeB2金属陶瓷微细粉末及其激光熔覆工艺，对于智能化、低成本、个性化、小批量生产耐磨... 展开 Mo2FeB2金属陶瓷是三元硼化物金属陶瓷领域的研究热点，目前Mo2FeB2金属陶瓷采用真空烧结工艺制备，设备投资大、生产效率低、成本高、工程应用的适应性差。研究Mo2FeB2金属陶瓷微细粉末及其激光熔覆工艺，对于智能化、低成本、个性化、小批量生产耐磨、耐腐蚀等特殊性能产品具有重要意义。本文采用感应熔炼气雾化法制备了激光熔覆用Mo2FeB2金属陶瓷粉末，测试分析了粉末特性参数。通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电子探针、硬度计和磨损实验等手段，研究了粉末中RE(稀土)、TiC含量及激光熔覆工艺参数对熔覆金属组织和性能的影响，并利用Ansys软件对激光熔覆热过程进行了数值模拟。粉末测试结果表明，粉末呈球状，表面存在卫星球和轻微的包覆现象;粒度呈正态分布;直径为74μm(200目)、105μm(140目)的粉末表面呈现发达的等轴晶状花瓣组织:随着粉末粒径的减小，流动性逐渐变差，但松装密度变化不大;粉末主要由正方晶体结构的Mo2FeB2相和二元硼化物CrB、MoB、Fe2B相组成。与不加稀土的粉末相比，加入2％稀土粉末的熔覆层Mo2FeB2硬质相明显细化，且以块状为主，稀土添加量增加到4％后，硬质相开始连接生长，稀土添加量增加到8％时，硬质相较为粗大且分布不均匀。添加0％、2％、4％、8％稀土粉末熔覆层硬度分别为627HV、923HV、1008HV和742HV，添加稀土使熔覆层的硬度明显提高。添加5％、10％和15％TiC的粉末，其熔覆层硬质相均由不添加的条状转变为块状，并且随着TiC添加量的增加，硬质相的尺寸逐渐减小。添加0％、5％、10％和15％TiC粉末熔覆层平均显微硬度分别为627HV、994HV、962HV和656HV，添加5％TIC的最高。复合加入2％稀土+5％TiC粉末熔覆层显微硬度为1020.4HV，与单独加入的相比，熔覆层硬度有一定程度的提高。随着扫描速度由300mm/min增加到450mm/min，含2％稀土粉末R熔覆层硬质相由细长条状+少量块状逐渐转变为细小的块状，扫描速度300mm/min、350mm/min,400mm/min和450mm/min熔覆层显微硬度分别为798.15HV、717.87HV、923.47HV和992.29HV，磨损失重分别为16.7mg、15.2mg、12.7mg、17.8mg。提高扫描速度有增加熔覆层显微硬度的趋势，熔覆金属以粘着磨损为主，扫描速度400mm/min的耐磨性能最好。扫描速度400mm/min、350mm/min、300mm/min条件下，含2％稀土+5％TIC粉末RT熔覆层硬质相的Mo/Fe值分别为1.55、1.20、1.32，均小于2，表明Cr元素替代Mo2FeB2晶格中Mo元素的位置，硬质相面积分数分别为35.00％、25.32％、23.54％，扫描速度400mm/min的面积分数最大，熔覆层显微硬度分别为1020.7HV、903.1HV、908.3HV。激光功率3500W、4000W、4500W、5000W条件下，R粉末熔覆层硬质相面积分数分别为60.31％、54.74％、50.07％、40.60％，随着激光功率的增加，熔覆层硬质相面积分数逐渐下降，熔覆层显微硬度分别为856.2HV、923.5HV、1030.3HV、642.6HV。激光功率3500W的RT粉末熔覆层硬质相呈长条状，4000W的为短轴状和块状，4500W和5000W的基本都呈现为块状，但5000W的硬质相生成量明显减少。激光功率3500W、4000W、4500W、5000W熔覆层硬质相面积分数分别为32.82％、35.00％、32.93％、10.70％，当激光功率增加到5000W后，熔覆层硬质相面积分数大幅度减少，熔覆层显微硬度分别为970.7HV、1020.7HV、1013.8HV、982.3HV。建立了激光熔覆热过程的有限元模型，验证了矩形光斑热源模型的可靠性，借助熔池冶金反应的吉布斯自由能，分析了熔池的相变过程。结果表明，激光功率3500W、4000W、4500W和5000W，熔池中Mo2FeB2的生成时间分别为0.8s、1.6s、2.2s和3.5s。扫描速度300mm/min、350mm/min、400mm/min和450mm/min熔池中Mo2FeB2的生成时间分别为3.6s、2.4s、1.7s和1s，稀释率为15.38％、11.54％、7.69％、1.54％，根据稀释率的计算结果，确定400mm/min的扫描速度较为合适。收起

关键词 : Mo2FeB2粉末激光熔覆层粉末成分工艺参数数值模拟

4. 面向不锈钢材料的新型非熔化极旋转电弧增材制造技术研究

[学位论文] 宋亚东山东大学 2022年硕士导师: 贾传宝共122页

摘要 : 增材制造技术相比于铣削及铸造等常规制造技术具有材料利用率高、生产流程简化、适合制造复杂成形件的优点，其中电弧增材制造技术由于具备熔敷效率高、设备简单、成本较低的特点，因此在制备大型零件时具有更大的优势。以GTA(GasTungstenArc，钨极惰... 展开增材制造技术相比于铣削及铸造等常规制造技术具有材料利用率高、生产流程简化、适合制造复杂成形件的优点，其中电弧增材制造技术由于具备熔敷效率高、设备简单、成本较低的特点，因此在制备大型零件时具有更大的优势。以GTA(GasTungstenArc，钨极惰性气体保护电弧)为热源的增材制造技术具有熔敷过程稳定、无飞溅、精度高等优点，但是存在电弧热量集中不均、电流较大时热输入较大导致的组织粗化与性能降低、电弧压力过大导致过多的重熔及驼峰缺陷等问题，因此GTA增材制造电流通常被限制在200A以内，这很大程度上限制了该技术的生产效率及应用范围。针对上述问题，本课题组提出了一种新颖的非熔化极旋转电弧增材制造技术(GTRA-AM)，旋转电弧能够能够有效分散电弧压力及热量，使熔敷过程受热更加均匀，降低作用于增材成形件上的电弧压力及热输入;同时能够有效地搅拌熔池，使得成形件晶粒细化、性能提高、工艺参数范围扩大。研究结果对提高GTA增材制造效率及质量具有重要意义。搭建了旋转电弧增材制造实验平台，利用304L不锈钢焊丝进行增材制造。经计算旋转电弧较常规电弧覆盖面积更大，使得电弧压力更加分散，钨极尖端为45°斜面为较佳的增材钨极尖端形状。电弧旋转到堆积层墙体两侧时会出现电弧暴露在墙体之外的现象，有效降低热输入;旋转到熔池前侧时，电弧熔化焊丝形成熔滴过渡。对电信号及热循环检测表明旋转电弧在制造过程中具有更低的峰值温度，反映出旋转电弧热输入较低。旋转电弧在堆积层熔敷时电压呈现“M”形，当电弧旋转到墙体两侧时电弧拉长，弧压升高形成波峰;当电弧旋转到熔池后侧及熔池前侧时，弧长变短，弧压降低形成波谷，电弧在两侧路径较长导致在波峰时会形成“m”形平台。随着钨极抬高，弧压同步升高，电弧对熔池中间与两侧的高度差不敏感，此时平台消失，呈现出规则“M”形。通过预埋示踪粒子，利用高速摄像观察熔池流动行为，发现示踪粒子在熔池中随着电弧的旋转做不规则的圆周运动，对比常规电弧，在旋转电弧不断变化的电弧力的影响下示踪粒子运动更加剧烈，电弧对熔池存在明显的搅拌作用。成形件底部组织主要为细小柱状晶及胞状晶;中部熔化区(熔合线以下)主要为粗大的柱状晶及树枝晶，在中部重熔区(熔合线以上)主要为柱状晶及胞状晶;在项部为无晶粒取向的等轴晶及树枝晶，相成分主要为奥氏体及少量的残余δ铁素体。相比常规GTA增材制造，旋转电弧增材制造成形件晶粒更加细小，硬度更均匀，抗拉强度、塑性、冲击韧性以及耐蚀性均较好。旋转电弧成形件随着热输入的降低强度升高、塑性降低、耐蚀性升高，同时由于成形件不同部位在敏化区间停留时间不同，试样的耐晶间腐蚀性能在项部较底部及中部好。收起

关键词 : 旋转电弧电弧熔池物理特性晶粒细化性能优化不锈钢材料

5. 铝/铜异质合金超声振动强化搅拌摩擦焊接过程与接头组织性能研究

[学位论文] 赵庆桢山东大学 2022年硕士导师: 刘雪梅；宿浩共121页

摘要 : 铝/铜异质合金结构件在降低成本、实现轻量化的同时可以做到优势互补，在新能源和电气等行业具有良好的应用前景。然而铝、铜因物理化学性质差异大，采用传统焊接方法难以获得性能优良的接头。而采用常规搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding，FSW)对铝/铜... 展开铝/铜异质合金结构件在降低成本、实现轻量化的同时可以做到优势互补，在新能源和电气等行业具有良好的应用前景。然而铝、铜因物理化学性质差异大，采用传统焊接方法难以获得性能优良的接头。而采用常规搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding，FSW)对铝/铜异质金属进行焊接时，虽然获得了表面成形良好、内部无缺陷的接头，但仍面临易产生较硬脆的金属间化合物(Intermetalliccompounds，IMCs)和接头强度较低等问题。因而，国内外学者开发了多种辅助改型工艺，如激光热源辅助FSW和超声辅助FSW等。本课题采用超声振动直接施加在待焊工件正前方的方式(UltrasonicVibrationenhancedFSW，UVeFSW)对铝/铜异种金属进行焊接，通过对焊接过程中的关键过程参量进行检测，并对接头微观组织和性能等进行表征测试，分析焊接工艺参数和超声振动对铝/铜FSW焊接过程和接头组织性能的影响规律。开展了2mm厚6061-T6铝合金板和T2紫铜板的FSW对接实验，研究了母材相对位置和搅拌针偏移量对铝/铜FSW焊缝成形与接头微观组织的影响。总结实验结果后得出以下结论:当焊接速度为110mm/min、搅拌头转速为700rpm时，采用Cu-RS/Al-AS位置时相较于Cu-AS/Al-RS位置时的焊缝成形更优，焊接阻力更小，材料流动行为和混合更加规律。采用Cu-RS/Al-AS位置时的界面IMCs层厚度明显小于采用Cu-AS/Al-RS位置时，前者的IMCs层均为由Al2Cu层和Al4Cu9层组成的双层结构，后者的接头界面除存在双层IMCs结构外，还存在由Al2Cu层、AlCu层和Al4Cu9层组成的三层IMCs结构。采用Cu-RS/Al-AS位置时的接头最大抗拉强度高于Cu-RS/Al-AS位置时20％以上。采用Cu-RS/Al-AS位置、搅拌头转速为700rpm、焊接速度为110mm/min，搅拌针偏向铜侧0.5mm时的接头表面成形最优，界面温度最低，且铝/铜异种材料之间形成了更加紧密的机械锁合，材料流动性更好，IMCs层更薄且更均匀，接头的抗拉强度更高。在搅拌头转速为700rpm和轴肩直径为18mm的参数组合、搅拌头转速为450rpm和轴肩直径为18mm的参数组合、搅拌头转速为700rpm和轴肩直径为14mm的参数组合下，开展了铝/铜异种金属的FSW和UVeFSW工艺实验。结果表明:超声振动直接作用在待焊工件正前方的施加方式能够显著优化不同焊接工艺参数情况下的铝/铜FSW焊接过程和接头组织性能。不同焊接速度情况下，施加超声振动后的铝/铜异质FSW焊缝表面成形均能得到改善，前进阻力有所降低，铝/铜两侧的焊接温度略有提升。超声振动扩大了搅拌针退出孔周围材料的塑性变形体积，促进了异种材料的流动和迁移，增强了材料的机械锁合程度，使得铝/铜结合界面更加平缓，减少了界面附近铜碎片的数量和尺寸。超声振动对不同焊接工艺参数条件下铝/铜FSW接头界面IMCs的层数和相组成未产生影响，但其对铝/铜FSW接头上部、中部和下部界面的IMCs层厚度均有一定程度的减薄作用。在搅拌头正前方20mm施加超声振动后，当采用Cu-RS/Al-AS位置，搅拌头转速为700rpm，焊接速度为110mm/min，轴肩直径为18mm，搅拌针偏向铜侧0.5mm的焊接条件时获得了最高铝/铜FSW接头抗拉强度，可达247.5MPa。收起

关键词 : 超声振动搅拌摩擦焊金属间化合物材料流动

6. 不锈钢薄板高频脉冲双钨极氩弧焊焊接工艺研究

[学位论文] 刘修更山东大学 2021年硕士导师: 陈茂爱共121页

摘要 : 现代工业对焊接生产率提出了更高的要求，传统单钨极氩弧焊在高速大流焊接时易导致驼峰等缺陷。双钨极氩弧焊(T-TIG)是在单钨极氩弧焊的基础上发展而来的，采用两台电源分别给两个钨极供电，在同一个喷嘴内产生T-TIG电弧，大大降低电弧力，有利于抑制... 展开现代工业对焊接生产率提出了更高的要求，传统单钨极氩弧焊在高速大流焊接时易导致驼峰等缺陷。双钨极氩弧焊(T-TIG)是在单钨极氩弧焊的基础上发展而来的，采用两台电源分别给两个钨极供电，在同一个喷嘴内产生T-TIG电弧，大大降低电弧力，有利于抑制驼峰缺陷。施加高频脉冲的高频脉冲双钨极氩弧焊(HFPT-TIG)能够进一步增加熔深、细化晶粒，提高焊缝力学性能，具有广阔的应用前景。本文研究了HFPT-TIG电弧物理特性、焊缝成形的影响因素，利用正交试验得到优化的焊接工艺参数，对比了HFPT-TIG焊接接头与单钨极TIG、T-TIG焊接接头焊缝组织和力学性能，为薄板的高效率高质量焊接提供了新思路。利用高速摄像系统拍摄了不同焊接工艺参数下的HFPT-TIG电弧形态，使用电弧力采集装置获得其电弧力分布，并借助于电信号采集装置测量了电弧静特性。结果表明，2mm钨极间距时，HFPT-TIG电弧正面为“钟罩形”，侧面近似“三角形”。6mm钨极间距时，电弧正面形态为“鼻子形”，侧面近似“圆形”。施加高频脉冲使电弧明显收缩且Y方向（两钨极尖端连线的中垂线方向）收缩程度大于X方向（两钨极尖端连线方向），挺度增加;高速焊接时能抑制电弧后拖。T-TIG电弧力峰值远低于单钨极TIG;施加高频脉冲使HFPT-TIG电弧力比T-TIG略有提升，峰值向施加高频脉冲的钨极一侧偏移。钨极间距对电弧力影响较大，钨极间距从2mm增大至6mm，X方向作用范围不断扩大，Y方向作用范围减小。高频脉冲频率、高频脉冲幅值增大使电弧力略有提升。HFPT-TIG电弧静特性呈“U”型，介于单钨极TIG和T-TIG之间;钨极间距、高频脉冲频率和高频脉冲幅值的改变对电弧电压影响较小。在2mm厚304不锈钢板上进行堆焊试验，分析不同焊接参数对HFPT-TIG焊缝表面成形和横断面形貌的影响规律。结果表明，HFPT-TIG焊能够抑制焊接缺陷的产生，当两钨极尖端连线与焊接方向平行且高频脉冲施加在前钨极时，焊缝成形最佳、熔深较大。钨极间距对焊接过程的稳定性影响较大，间距大于4mm后，电弧稳定性变差。在总等效焊接电流为130A+130A、钨极间距为2mm、弧长为3mm的条件下，HFPT-TIG施加频率为20kHz、幅值为80A的高频脉冲时，其焊缝熔深(1.79mm)比T-TIG(1.22mm)提高46.7％，焊缝中心晶粒平均尺寸由11.6μm降低至9.8μm。利用正交试验分别得到了HFPT-TIG焊的1mm厚和2mm厚不锈钢高速对接焊优化参数组合，与单钨极TIG焊和T-TIG焊相比，焊接速度提升，且保证熔透所需的热输入降低。HFPT-TIG焊接接头组织主要是奥氏体和骨骼状铁素体或板条状铁素体，熔合区附近存在细晶带，焊缝中心柱状晶的晶粒尺寸以及热影响区宽度均小于T-TIG焊;HFPT-TIG焊接接头拉伸强度可以达到母材的97％以上，接头呈现出明显的韧性断裂特征，拉伸断口的形貌为均匀且密集分布的韧窝;焊缝平均硬度值高于单钨极TIG和T-TIG焊接接头，且硬度峰值出现在焊缝中心附近。研究结果表明，高频脉冲双钨极氩弧焊接工艺具有焊接效率高、接头质量好等优势，可以在实际工业生产中推广应用。收起

关键词 : 不锈钢薄板高频脉冲双钨极氩弧焊工艺参数焊接接头焊缝组织力学性能

7. 2A12/AZ31B异质合金超声辅助FSW工艺试验研究

[学位论文] 谭茂举山东大学 2022年硕士导师: 武传松共118页

摘要 : 现如今，2A12铝合金和AZ31B镁合金异质结构具有质量轻、比强度高等优点，在航空航天领域有很大的应用需求。由于两者的晶体结构和物理化学性质存在较大差异，实现2A12/AZ31B异质合金的高质量焊接，是亟待解决的关键问题。本课题开展了3mm厚的2A... 展开现如今，2A12铝合金和AZ31B镁合金异质结构具有质量轻、比强度高等优点，在航空航天领域有很大的应用需求。由于两者的晶体结构和物理化学性质存在较大差异，实现2A12/AZ31B异质合金的高质量焊接，是亟待解决的关键问题。本课题开展了3mm厚的2A12铝合金和AZ31B镁合金板的搅拌摩擦焊(FSW)与超声辅助搅拌摩擦焊(UVaFSW)对接试验。对比和分析了超声振动对焊缝成形、接头宏观金相与力学性能的影响。试验结果表明，当铝合金置于前进侧，且搅拌头的偏移量为0mm时，焊缝成形较好，接头强度最高。施加超声振动可以扩大焊接工艺参数的窗口，改善焊缝表面成形，提高接头力学性能，减少前进侧热力影响区与焊核区交界处裂纹和孔洞等缺陷的产生倾向。施加超声振动之后，铝/镁异质材料的搅拌混合更加均匀，焊核区内铝/镁异质材料的机械交锁程度更高。由于金属间化合物(IMCs)的存在，在焊核区内部存在高硬度区域，主要集中在铝/镁界面交界处以及前进侧的焊核区边界处。施加超声振动后，焊核区内硬度分布更加均匀。2A12/AZ31B焊接接头的断裂方式为脆性断裂，有明显的河流花样存在，呈现解理断裂特征，脆性金属间化合物的存在是导致接头断裂的主要因素。对铝/镁界面两侧的铝合金和镁合金晶粒进行EBSD试验，探究超声能场对2A12/AZ31B异种合金搅拌摩擦焊接过程中晶粒组织演变的影响。焊核区铝合金侧晶粒的再结晶机制为连续动态再结晶(CDRX)和几何动态再结晶(GDRX)，镁合金侧晶粒的再结晶机制为连续动态再结晶(CDRX)、不连续动态再结晶(DDRX)和几何动态再结晶(GDRX)。焊核区铝合金与镁合金晶粒的平均尺寸分别约为0.7μm和2.5μm。施加超声，能够降低小角度晶界的比例，提高晶粒的再结晶程度。采用扫描电镜、电子探针和透射电镜等手段表征界面处的金属间化合物，探究超声振动对金属间化合物的形态、厚度和分布的影响，分析影响金属间化合物生成的因素。试验发现，金属间化合物在焊核区的上中部厚度较大，底部较薄;施加超声振动后IMCs厚度总体有所降低。2A12/AZ31B异质材料FSW时IMCs厚度较大，最大厚度能够超过100μm。测温试验表明，2A12/AZ31BFSW对接时焊接温度与AA6061/AZ31B时差别不大，焊接温度的差异不是2A12/AZ31B焊缝内IMCs厚度较大的主要原因。但2A12与AA6061的化学成分差异较大，2A12铝合金含有铜元素。2A12/AZ31B焊接过程中，镁晶粒晶界凸出形核后，铝原子向镁晶粒中扩散，γ相(Al12Mg17)首先在界面处形核，然后β相(Al3Mg2)在γ相的晶界处析出并优先向γ相晶粒内生长。晶粒的持续向铝侧生长使铜元素偏聚于β相的一侧，使其再结晶形核功与相变形核功降低，进一步促进了IMCs晶粒的形核与长大。这是2A12/AZ31BFSW时IMCs较厚的主要原因。收起

关键词 : 异种合金搅拌摩擦焊超声振动晶粒组织演变金属间化合物

8. 浅成形类汽车覆盖件成形方式研究

[学位论文] 孙振省山东大学 2018年硕士导师: 栾贻国共117页

摘要 : 近年来，随着汽车更新换代节奏的加快以及汽车市场竞争的不断加剧，汽车企业为增强自身的市场竞争力，需要在保证质量的前提下，尽可能地缩短产品的开发周期，降低生产成本。作为开发时间和开发成本约占整车开发周期和总成本2/3的汽车覆盖件模具，是实... 展开近年来，随着汽车更新换代节奏的加快以及汽车市场竞争的不断加剧，汽车企业为增强自身的市场竞争力，需要在保证质量的前提下，尽可能地缩短产品的开发周期，降低生产成本。作为开发时间和开发成本约占整车开发周期和总成本2/3的汽车覆盖件模具，是实现这一目标的关键。而目前对汽车覆盖件模具的研究主要集中于汽车覆盖件生产过程中出现的起皱、回弹等缺陷的控制，以及高强钢等新材料的使用上，在汽车覆盖件成形方式的选择上却鲜有人研究。模具制造企业在覆盖件冲压成形方式的选择上，还主要依赖于技术人员自身的经验判断，难以实现技术的快速有效传承和大范围推广。本文以浅成形类汽车覆盖件为研究对象，运用数值模拟技术和工厂实际生产相结合的研究方法，对浅成形类汽车覆盖件成形方式的选择判据进行了研究。致力于将技术人员抽象的经验转变为直观的判别标准，为企业在浅成形类汽车覆盖件生产成形方式的选择上提供合理参考。利用CAE分析软件Auto form对后地板面板、窄体后地板、左/右前轮罩支撑板、安全带支架、后围外板下连接板、冷凝器上横梁和顶盖横梁等7个具有浅成形特征的覆盖件进行模拟，并对其形貌特征进行参数化分析。依照CAE判定标准对上述覆盖件的模拟结果逐个进行分析，并对最终选择直接成形工艺或是拉延成形工艺的原因进行探究，总结出了浅成形类汽车覆盖件成形方式参考表。将研究所得的结论应用于小鸭精工机械有限公司K2250项目中后横梁内板和风窗上骨架内板的开发，判定前者采用直接成形工艺冲压成形，后者采用拉延工艺冲压成形。使用AutoForm对两者进行全工序模拟，针对出现的质量问题，分别进行了板料线优化和合理的拉延筋布置，并经模拟对比确定了两者的最佳成形工艺参数。通过对两个覆盖件最终模拟结果分析以及后横梁内板工艺变更前后生产成本的对比，证明了所得结论的有效性和经济价值。最后，根据模拟结果绘制三维DL图，进行模具结构设计，并跟踪记录了后横梁内板模具的后续调试以及检验和验收等相关工作。收起

关键词 : 汽车覆盖件成形方式工艺优化数值模拟

9. 铝合金超声振动辅助无铆钉铆接工艺及接头力学性能研究

[学位论文] 孙宝磊山东大学 2022年硕士导师: 郑超共113页

摘要 : 汽车轻量化已成为汽车制造行业的趋势。铝合金在汽车车身中应用较广泛，铝合金板材之间的连接成为当前研究的热点。无铆钉铆接在铝合金板材连接方面具有较大优势，但在铆接过程中，由于待连接材料变形不协调，导致铆接接头颈部厚度和互锁值不匹配，制... 展开汽车轻量化已成为汽车制造行业的趋势。铝合金在汽车车身中应用较广泛，铝合金板材之间的连接成为当前研究的热点。无铆钉铆接在铝合金板材连接方面具有较大优势，但在铆接过程中，由于待连接材料变形不协调，导致铆接接头颈部厚度和互锁值不匹配，制约了接头综合力学性能。针对上述问题，本文将超声振动辅助塑性成形技术引入无铆钉铆接工艺，运用有限元仿真、工艺实验和性能测试等方法，系统研究铝合金材料在超声振动辅助无铆钉铆接工艺中的变形行为、工艺参数影响规律、接头抗剪与抗拉力学性能、接头失效行为等，阐明超声作用机理，以期发挥超声振动特有技术优势，解决无铆钉铆接工艺接头互锁值较小、接头综合力学性能不高、成形载荷较大等关键问题。主要工作内容及结论如下: (1)针对5052-H32铝合金，开展了常规及不同超声振幅下的拉伸试验、圆环镦粗试验，获得了材料不同超声振幅下的力学性能数据及模具与材料之间的摩擦系数，为后续开展常规及不同超声振幅下无铆钉铆接有限元分析提供了材料力学性能数据及模具与板料之间的接触条件。通过对比常规及不同超声振幅下材料力学性能的差异，发现超声振幅越大，材料屈服强度越低;抗拉强度和断后伸长率随超声振幅增加先增大后减小。工具头与材料之间的摩擦系数随振幅增大逐渐减小。 (2)设计了无铆钉铆接模具，搭建了超声振动辅助无铆钉铆接实验装置，进行了常规及不同超声振幅下无铆钉铆接实验。建立了超声振动辅助无铆钉铆接有限元分析模型，通过实验验证了模型的可靠性。通过有限元分析与实验相结合的方法对超声振动辅助无铆钉铆接变形过程进行了分析，并讨论了超声振幅对铆接接头成形的影响。结果表明，施加超声后，材料流动应力降低;超声振幅越大，应力降低幅度越大，因而铆接成形载荷降低。超声振动能够促进材料流动，并使流动速度变大;超声振幅越大，材料塑性应变越高，铆接接头互锁值增大。 (3)开展了单搭剪切、T型拉伸、十字拉伸试验，分析了三种试验下铆接接头的强度、失效位移、失效模式及能量吸收值。试验结果表明，施加超声后，接头抗剪强度、抗拉强度均提高，且失效位移及能量吸收值不同程度增大。在单搭剪切试验中，超声振动对铆接接头失效模式无明显影响;在T型拉伸、十字拉伸试验中，超声振动对铆接接头失效模式产生显著影响。在本文工艺条件下，超声振幅为4.63μm时获得的铆接接头综合力学性能最好。收起

关键词 : 超声振动铆接工艺无铆钉铆接力学性能失效模式

10. 基于Li6PS5Cl固态电解质的全固态锂硫及锂硒电池研究

[学位论文] 李崇兴山东大学 2022年硕士导师: 王儒涛共112页

摘要 : 近年来，随着电子产品、电动汽车以及电网储能等领域的快速发展，使得开发高比能量、长循环寿命以及高安全性的下一代锂电池显得十分重要。由于硫元素具有较高的理论比容量(1675mAh g-1)，能够输出极高的能量密度(2500Wh kg-1或2800Wh L-1)，因此被视... 展开近年来，随着电子产品、电动汽车以及电网储能等领域的快速发展，使得开发高比能量、长循环寿命以及高安全性的下一代锂电池显得十分重要。由于硫元素具有较高的理论比容量(1675mAh g-1)，能够输出极高的能量密度(2500Wh kg-1或2800Wh L-1)，因此被视为具有竞争力的锂电池新型正极材料。Se元素与S同族，具有相似的化学性质。而Se的电子电导率(1×10-5S cm-1)大约比S(5×10-30S cm-1)高25个数量级，且Se的体积能量密度(3270mAh cm-3)可以与S的体积能量密度(3467mAh cm-3)相媲美，因此Se也有望成为下一代锂电池的正极材料。但是S和Se正极都存在着一些问题:首先二者均会与锂金属反应生成可溶于电解液的中间产物，产生“穿梭效应”，进而造成活性材料的损耗，电池比容量的衰减;其次，S和Se的导电性较差，使得电池的动力学难以满足大倍率的使用条件;最后，在锂化前后S和Se还面临着较大的体积变化，对于正极机械结构的保持提出了挑战。基于Li-S和Li-Se电池中的上述问题，本文旨在选取合适的正极活性材料载体，配合Li6PSsCl固态电解质，组装Li-S及Li-Se全固态电池，以期获得良好的电化学性能，主要进行了以下工作: (1)针对Li-S电池使用电解液普遍存在“穿梭效应”的问题，本章提出引入Li6PSsCl固态电解质取代电解液的研究思路，用以避免中间产物溶解的问题。其中，以二氧化硅作为模板，聚苯胺作为碳源，合成了氮掺杂分级多孔炭(NHPC)作为S的载体，用以改善正极电导率，缓冲锂化前后的体积变化。所制备的NHPC炭材料具有628.8m2g-1的比表面积和1.62cm3g-1的孔体积，为容纳S和缓冲体积变化提供了空间。通过简单的熔融扩散法获得S/NHPC复合材料，硫负载量达到70.9％。利用该复合材料作为正极所组装的全固态Li-S电池在50mA g-1的电流密度下，放电比容量可达1328mAh g-1；在200mAg g-1的电流密度下，电池循环150圈后，容量为268mAh g-1，其容量保持率为44.73％。 (2)针对Li-Se电池中多硒化物“穿梭效应”和正极体积变化问题，提出引入多孔结构且高导电的NHPC缓解Se体积膨胀以及使用Li6PS5Cl固态电解质缓解“穿梭效应”的思路。通过熔融法获得Se/NHPC复合材料，Se负载量高达80.99％。所构筑的全固态Li-Se电池在20mA g-1的电流密度下具有647mAh gJ的比容量，在200mA g-1的电流密度下仍保持256mAh g-1的比容量。Se/NHPC全固态电池可在67.5mA g-1的电流密度下循环70圈以上，容量保持率稳定在84.8％。进一步通过非原位Raman、XPS、SEM等测试发现，所使用的三方晶系Se在与NHPC复合时转变为链状，充电后转化成环状，长时间循环后会出现析出富集的现象。我们推测Se富集主要是由于环状硒与碳基体的山东大学硕士学位论文结合较弱所导致的。 (3)Se与碳基体结合时会变为无定形状态，导致其电子电导率降低，不利于电化学反应的进行以及高倍率条件下的应用。针对此问题，我们提出采用具有高导电性的金属碳化物MXene作为Se的载体。通过HF刻蚀Ti3AlC2MAX得到了手风琴状多层Ti3C2MXene。该MXene由多层纳米片堆叠而成，层与层之间的空隙为后续容纳较多的硒及缓冲电化学过程中的体积变化提供了空间。通过熔融法合成了Se@MXene复合材料，SEM和TEM显示Se能够均匀地进入MXene的层间，负载量高达63.3％。在Se@MXene复合材料中Se主要以三方晶系的晶体状态存在，有利于维持结晶相Se的高电导率。研究发现以Se@MXene复合材料为正极的固态Li-Se电池在20mA g-1的电流密度下放电比容量高达638mAh g-1;在200mA g-1的电流密度下，其容量仍保持429mAh g-1。其良好的电化学性能得益于MXene的高电导率和复合材料中Se的晶体结构的保持。收起

关键词 : 全固态锂电池电解液穿梭效应正极体积电化学性能