轻量化是未来先进制造技术的发展趋势,铝合金是实现轻量化制造的一种行之有效的工程材料。双脉冲熔化极气体保护焊作为一种先进的高效的铝合金焊接工艺,其焊接熔池内部的热传递和流体流动行为缺乏深刻理解。论文试验结合模拟来透视了双脉冲焊接的整个物理过程并且优化了工艺参数。论文建立了双脉冲焊接三维非稳态热传递与流体流动模型,全面分析了双脉冲焊接的凝固组织特征和质量特征,揭示了双脉冲焊接的晶粒细化机理。双脉冲焊接的焊道机械性能优于单脉冲焊接,这主要归功于细化的凝固组织。系统地研究了电流振幅、电流频率和焊接速度对双脉冲焊接的影响。揭示了双脉冲电弧增材制造中的晶粒细化机理,研究了激光+双脉冲电弧复合焊和冷金属过渡复合脉冲焊接等改进型的双脉冲焊接工艺。论文的主要研究内容和创新点如下:1.提出了一种双脉冲熔化极气体保护焊三维非稳态热传递与流体流动模型。论文首先探讨了熔焊过程中熔池内部的热传递和流体流动物理过程,研究了流体流动驱动力及其相对重要性以及对热量传输的影响,分析了三维非稳态热传递与流体流动模型的控制方程、边界条件和求解方法。在三维模型中使用试验采集到的焊接电流波形做为输入数据,因此高能量脉冲群和低能量脉冲群的输入热量不同。该数值模型综合考虑了熔滴的动量和热量对熔池的影响以及流体对流传热对熔池的影响。采用单脉冲和双脉冲焊接试验验证了该模型,保证了计算得到的凝固参数可信性。结果表明:焊接过程中熔池内部的流体流动直接影响着焊缝的形状和尺寸;熔池对流的驱动力主要有Marangoni力、电磁力和浮力,其中当焊接电流不大时Marangoni力占主导因素;通过评估无量纲的佩克莱数,发现熔池内部的热传输主要是通过对流来完成的。2.揭示了双脉冲焊接的晶粒细化机理。双脉冲焊接熔池在高能量脉冲群膨胀和在低能量脉冲群收缩,导致不同寻常的焊缝金属重熔化和重凝固现象,因此双脉冲焊接获得了更高的冷却速度和细化的晶粒。透视了双脉冲焊接的特征与优势。研究了双脉冲焊接的熔池行为及凝固特征并且计算了焊接的凝固参数,并用计算得到的凝固参数来揭示了双脉冲焊接组织细化的机理,研究了焊缝的微观组织与机械性能。结果表明:双脉冲焊接过程中,熔池在高能量脉冲群膨胀,在低能量脉冲群收缩,这样的变化导致不同寻常的焊缝金属重熔化和重凝固现象;在相同的热输入下,双脉冲焊接比单脉冲焊接获得了更高的凝固生长速度和冷却速度,因此双脉冲焊接比单脉冲焊接获得更小的微观组织和改善的机械性能;由于熔池在低能量脉冲群收缩,双脉冲焊接获得了多样的晶粒生长方向。3.模拟结合试验系统研究了不同电流参数对双脉冲焊接的影响,发现可以在不改变热输入的情况下通过增加电流振幅和电流频率来增加冷却速度和减小晶粒尺寸。论文系统研究了不同电流参数即电流振幅和电流频率对双脉冲焊接的影响。模拟和试验研究了不同电流参数双脉冲焊接的熔池行为及凝固特征,计算了焊接的凝固参数,并用计算得到的凝固参数来预测了相同平均电流不同电流参数情况下的晶粒尺寸,并且用试验验证了预测结果。在相同的热输入下,在常用的参数范围内可以通过增加电流振幅和电流频率来增加平均凝固生长速度和冷却速度。随着电流振幅和电流频率增加,晶粒和枝晶相应减小,机械性能有所改善。研究了焊接速度对双脉冲焊接的影响,探讨了正弦波调制脉冲焊接相对于单脉冲焊接的特征与优势。结果表明:双脉冲焊接的稳定焊接速度可以达到16.6 mm/s而不发生短路或者熄弧现象,这表明双脉冲焊接是一种相对高效稳定的铝合金焊接方法。正弦波调制脉冲焊接过程稳定,焊缝成形良好。焊缝几乎没有焊接缺陷,接头断裂模式为韧性断裂。正弦波调制脉冲焊接能够减少焊缝中的气孔,焊缝熔化区晶粒得到细化。焊缝的硬度有所增加,机械性能得到改善。4.研究了激光+双脉冲电弧复合焊、双脉冲电弧增材制造和冷金属过渡复合脉冲焊接三种改进型双脉冲焊接工艺的特征与优势。证实了双脉冲电弧增材制造的可行性和高效性,结果表明双脉冲电弧增材制造比单脉冲电弧增材制造具有更高的凝固生长速度和冷却速度;在相同的热输入下,由于更高的冷却速度,双脉冲电弧增材制造产生了更加细小的晶粒。提出了一种冷金属过渡复合脉冲焊接的数值模型,仿真结果表明可以通过改变脉冲个数来调制冷金属过渡复合脉冲焊接的输入热量。仿真结果表明:对于冷金属过渡复合脉冲焊接,脉冲阶段的熔池尺寸、熔池内部最大流速和最高温度大于CMT阶段;随着脉冲个数的增加,脉冲阶段和CMT阶段的熔池尺寸、熔池内部最大流速和最高温度均会增加。