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碳纤维增强树脂基复合材料具有结构轻、比强度高等诸多优点,是制造现代飞机结构件的重要材料。Invar钢的热膨胀系数极低且稳定性良好,是用来制造航空复合材料零件成型所用模具的理想材料。焊接作为Invar钢模具生产制造过程中不可或缺的加工工艺,对模具最终的使用性能具有决定性的影响。然而,目前国内对Invar钢焊接工艺的研究尚处于起步阶段,相关研究内容还较为匮乏,这严重影响了各类复材零件对不同Invar钢模具焊接生产的需求。与激光焊接等高能束焊接技术相比,多层电弧焊接在连接大厚度板时具有显著的成本优势,目前被广泛应用于复材零件成型模具的加工制造。因此,本文采用电弧多层多道焊接(Multi Layer Multi Pass Welding,MLMPW)与多层摆动焊接(Multi Layer Weave Bead Welding,MLWBW)工艺,开展飞机复材零件成型专用19.05 mm(0.75英寸)厚Invar钢自动焊接技术研究,着重求解分析Invar钢模具焊接热过程,并研究热积累效应对焊接工艺与性能的影响。本文将Invar钢模具多层焊接常用的工艺参数(焊接电流、焊接电压、层数与道数)作为主要影响因素,设计大厚度Invar钢模具MLMPW与MLWBW工艺实验。研究结果表明,采用1mm钝边、60°坡口、紫铜板衬垫时,两种焊接工艺的焊缝成形效果均较为良好。与MLMPW相比,MLWBW工艺相对简化,焊件经历的热循环次数更少,能够有效改善焊后变形、减少焊接缺陷。对Invar钢模具MLMPW与MLWBW工艺开展热过程有限元建模。根据构件实际尺寸与工况条件建立有限元几何模型,对100 mm×50 mm×19.05 mm的试件进行空间离散化,采用非均匀过渡网格的策略对其进行网格划分,采用生死单元技术设置焊缝填充区域;设置材料热物性参数,加载双椭球热源模型。利用MSC.MARC软件分析平台,求解有限元模型,分析不同层间温度的设置对两种焊接工艺热过程的影响。结合Invar钢MLMPW与MLWBW的温度场模拟结果,研究两种焊接工艺的热积累效应。研究发现,MLMPW的热源施加次数多,因而焊接热积累效应比MLWBW更加明显。对Invar钢模具焊缝处不同区域的微观组织开展研究,探究影响焊接接头力学性能的微观机制。研究结果表明,在MLMPW过程中,焊缝会经历多次升温和降温,后道焊缝对前道焊缝存在二次热处理作用,容易对前道焊缝质量产生弱化效果。除打底层未添加摆动焊接之外,MLWBW接头的热影响区(Heat Affected Zone,HAZ)宽度比MLMPW接头的更窄,同时焊缝晶粒也更加细小。对焊接接头进行显微硬度及拉伸试验测试,以评定Invar钢焊接热积累效应对焊接接头力学性能的影响。对于MLWBW接头,焊接热输入显著影响焊缝晶粒尺寸,进一步提高了熔合区及热影响区的平均硬度值。MLMPW与MLWBW工艺均能够获得成形良好、焊接缺陷较少、力学性优异的焊接接头,MLWBW工艺能简化焊接工序,提高焊接生产效率。