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汽车变速箱双联齿轮激光焊接有限元分析
| 论文题名： | 汽车变速箱双联齿轮激光焊接有限元分析 |
| 关键词： | 汽车变速箱;双联齿轮;激光焊接技术;有限元分析法;残余应力 |
| 摘要： | 本课题以20CrMnSi低合金钢汽车变速箱双联齿轮的CO2激光焊焊接过程为研究对象，利用SYSWELD有限元分析软件，动态模拟不同热量输入条件下焊缝及邻近区域的温度场、应力场和焊接变形。通过建立焊接工件的三维实体模型并运用热-弹塑性理论进行分析，以及采用三维锥体热源模型模拟激光焊接热源，结构合理的网格划分，建立起基本计算模型。为尽量提高模拟计算的精度和准确性，计算过程充分考虑了材料物理性能与随温度变化的特性关系，以及相变潜热对温度场的影响，进而实现温度场和应力应变场的耦合计算。通过模拟5种焊接参数条件下的齿轮激光焊焊接焊接过程，定量分析了不同热输入和离焦量对激光焊接过程的温度场分布、热循环曲线、残余应力分布和大小以及焊接变形的影响。 模拟计算结果和实验结果显示，汽车变速箱双联齿轮的CO2激光焊焊缝非常窄，传统热电偶难以准确定位，因此可以预见，采用传统的热电偶测试方法，难以准确地反映出激光焊条件下焊缝及热影响区的焊接热循环参数。此外焊缝及热影响区的高温停留时间非常短，因而其高温组织的奥氏体化的时间很短，这对防止该区域的晶粒长大有利，同时对随后冷却过程中避免焊缝及热影响区产生完全马氏体、适当增加贝氏体含量从而获得较好的强韧性有利。 不同激光离焦量条件下，相同工件位置的计算残余应力值稍有不同，但应力分布规律基本一致。值得指出的是，在各种激光离焦量条件下，均呈现出径向残余应力的最大绝对值远小于周向残余应力最大绝对值的规律；残余周向应力沿齿轮中心轴具有较好的对称性。整体而言，激光焊焊接构件的焊接变形非常小。 为验证模拟计算结果的有效性和准确性，采用实际CO2激光焊方法对20CrMnSi低合金钢汽车变速箱双联齿轮进行了焊接试验。对焊接试样进行了解剖并观察焊缝形貌和金相组织。对照模拟焊缝形状与实测焊缝形状，发现焊接试件的焊缝形状及轮廓与计算模拟结果基本吻合，此外焊接试件的焊缝及热影响区的微观组织构成及形态与由模拟得到热循环参数，并结合CCT曲线推理得到的微观组织构成及形态基本一致。这在一定程度上验证了本课题所采用的焊接热源模型和网格模型的有效性和正确性。 通过对模拟和试验结果的比较分析，最终确定了适合20CrMnSi钢双联齿轮CO2激光焊焊接的工艺参数，并将其实际应用到批量化的齿轮生产制造中。本课题研究结果为深入激光焊理论与应用研究、焊接过程数值模拟研究都提供了一定的参考价值。 |
| 作者： | 郭彦兵 |
| 专业： | 材料加工工程 |
| 导师： | 童彦刚 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆大学 |
| 学位年度： | 2011 |
| 正文语种： | 中文 |
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