铝合金/钢(简称铝/钢)复合结构,能够在充分利用两种材料的优良性能的基础上降低结构重量、优化结构设计。由于二者的物理性能和化学相容性差异较大,焊接过程中不可避免地产生焊接应力和变形,严重影响工件的尺寸精度和接头力学性能。随着计算技术的不断提升和数值分析方法的不断完善,数值模拟已经成为分析研究焊接残余应力和变形的有效手段。因此,本文在铝/钢MIG电弧熔-钎焊接工艺试验基础上,建立适用于铝/钢异种材料MIG电弧熔-钎焊接过程的热-弹-塑性有限元数理模型,通过分析铝/钢熔钎焊接温度及应力应变演变,揭示接头钎焊界面应力演变及残余应力分布规律,并尝试以数值模拟的方式从改变焊接热过程角度着手调控接头残余应力状态。论文的研究将为铝/钢复合结构实际工程化应用提供理论指导。考虑搭接结构造成的电弧左右不对称,针对电弧热源和过热熔滴热焓的热作用,建立了非对称四椭圆面热源模型与均匀体热源的组合热源。综合考虑熔-钎焊接过程物理过程、材料的非线性以及边界条件,建立适用于铝/钢异种金属MIG电弧熔-钎焊搭接的三维有限元数值分析模型。采用热-力顺序耦合方法计算不同焊接热输入下1 mm厚5052铝合金和2 mm厚镀锌钢搭接接头MIG电弧熔-钎焊接温度场、应力场和变形,并通过热循环曲线和盲孔法验证模型的准确性。结合钎焊界面金属间化合物层微观结构,数值分析了铝/钢MIG电弧熔-钎焊接钎焊界面热过程。结果表明,随着焊接热输入的增大,其钎焊界面峰值温度提高,高温区范围也随之增大。在焊接热输入Q=592 J/cm时,高温区范围约621-758 ℃、钎焊界面宽3.8 mm,界面反应时间为1.0 s左右当热输入增加至O=1071 J/cm时,高温区范围约621-986 ℃、钎焊界面宽度增加至6.24 mm,界面反应时间延长至1.8 s左右。金属间化合物层厚度由0.568 μm生长至2.548 μm且变得更尖锐,呈锯齿状或短棒状向焊缝区生长,钎焊界面钢侧表面起伏愈加剧烈。随焊件初始温度的提升,熔池的峰值温度及高温停留时间也随之升高和延长。随着镀锌钢板厚度的增加,热量较快的被传导走,钎焊界面的峰值温度下降,且钎焊界面高温区范围减小。由于材料性能、热量分布以及结构的不对称性,钎焊界面镀锌钢侧横向残余应力呈左右不对称的M形分布,中心区域为压应力峰值达320 MPa;纵向残余应力则呈现W形分布,焊缝区域的拉应力约160 MPa,焊缝区叠加小波谷,焊根区和焊趾区达到拉应力峰值约200 MPa。铝合金侧焊缝区残余拉应力达到铝合金屈服强度约200 MPa。由于端部效应不同区域所经历的焊接热过程有差异,起焊和终焊区的三向残余应力分布不同于中部焊缝区域。此外,铝合金板的反向弯曲,使其上表面部分压应力抵消,而下表面拉应力叠加。铝/钢熔钎焊接头钎焊界面两侧应力不连续、存在应力差,焊接热输入Q=592 J/cm时,界面中心区域镀锌钢侧和铝合金焊缝侧横向残余应力分别为峰值312 MPa的压应力和170 MPa的拉应力,纵向残余应力分别为峰值76 MPa的拉应力和214 MPa的拉应力。随焊接热输入的增大,钎焊界面两侧焊接残余应力的分布规律大体一致,但由于其钎焊界面峰值温度和高温停留时间的增高和延长,钎焊界面高应力区范围和应力峰值均增加。钎焊界面横向和纵向残余应力差峰值分别由366 MPa和53 MPa增加至515MPa和215 MPa。钎焊界面的残余应力差及金属间化合物层形态,共同影响熔-钎焊接头结合强度。接头钎焊界面最大剪切强度为75 MPa,随着热输入的增大,其金属间化合物层形态随之发生变化,界面残余应力差也增大,因此接头剪切强度也随之下降,在Q=1071 J/cm时约为12 MPa。在不同初始温度下,钎焊界面两侧焊接残余应力的分布趋势基本是一致。在不考虑对焊缝金属润湿铺展性的改善的情况下,焊前预热对降低焊件残余应力水平作用不明显。而通过改变镀锌钢板厚度,可以达到调控钎焊界面高温区范围,改变焊件整体刚度,从而实现调控焊接残余应力和变形的目的。