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Invar合金因具有与复合材料相近且极低的热膨胀系数而被大量应用于飞机复材模具的制造。但由于厚板Invar合金模具尺寸较大、难以一次成型,通常采用多层多道的焊接方式。而在多层多道焊接过程中,焊缝层间区域的复杂热过程影响其微观组织与缺陷形态,从而影响焊接接头的质量。因此,本文采用实验与模拟相结合的方法,开展Invar合金多层多道焊接实验、焊接热过程模拟、层间区熔合特性、微观组织形态、缺陷形成机理与抑制措施等方面的研究,为解决Invar合金飞机复材模具焊接质量问题与缺陷精准控制奠定基础。首先,考虑坡口形状、焊前准备措施和焊接工艺参数对焊缝成形的影响,开展19.05 mm(0.75英寸)厚Invar合金多层多道焊接实验。其中,打底层采用TIG焊接,填充层和盖面层均采用MIG焊接。对焊缝宏观成形、焊缝截面不同焊层的形貌特征和焊缝熔宽进行定量研究,探讨不同的焊接热输入对焊缝熔宽的影响,并得到初步优化的焊接工艺参数。其次,构建Invar合金多层多道焊三维有限元网格模型,设置焊接路径和边界条件;选用双椭球热源作为焊接热源,并对其进行校核;利用有限元模拟软件对Invar合金多层多道焊接热过程进行模拟。针对焊接热过程模拟结果进行分析,探究不同焊层的温度场分布特点和不同节点的热循环曲线规律。再次,针对Invar合金多层多道焊接接头的宏观形貌、不同层间的微观组织和元素分布特点进行分析。重点研究层间重熔区的微观组织形态,结合不同焊层间的温度场分布特点,探究不同节点的焊接热循环曲线与层间微观组织的关系。研究发现,重熔区由于受到后续焊缝的多次热循环作用,经历了不同的峰值温度,导致最终的室温组织形态具有差异性。最后,针对Invar合金多层多道焊接接头出现的焊接缺陷,如气孔、裂纹和未熔合等,探究焊接缺陷的形成机理及周围的元素分布特点,并针对不同的焊接缺陷提出相应的抑制措施。同时,为了验证本文的研究结果,对不同接头的显微硬度与拉伸强度等力学性能进行测试分析,最终得出最优工艺参数和质量优良的焊接接头。