焊接是现代工业生产制造业中必不可少的工艺,它涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程,在材料加工领域一直占有重要地位,同时又面临着新的挑战。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。焊接结构一个显著的特点是因局部瞬时高温易产生焊接应力与变形,这不仅影响焊接结构的制造过程,而且还影响焊接结构的使用性能,特别是加工精度、尺寸稳定性和承载能力。因此,对航天铝合金焊接结构的焊接应力与变形进行研究,是获得高质量焊接结构的重要举措,具有重要的理论意义和现实价值。 焊接应力与变形是影响焊接结构质量和可靠性的主要问题之一,利用数值模拟和测试试验研究焊接应力与变形问题,可仔细研究各种因素对温度场、应力应变场以及显微组织状态场的作用规律,加深对焊接过程的理解,在结构设计阶段预估焊接残余应力与变形的大小及分布,以选择合理工艺和最佳设计来减小和控制残余应力与变形,从而高效、优质地进行焊接结构的生产,因而具有重要的理论研究和工程应用意义。 1.在对国内外关于焊接应力与变形研究动态综述的基础上,结合铝合金焊接应力与变形的研究价值及技术难点,以航天运载火箭贮箱常用LD10CS高强锻铝合金大型焊接结构件为研究目标,以其平板TIG焊为研究对象,以焊接过程热分析与热弹塑性理论为基础,就焊接的热应力及残余应力与变形问题进行研究,采用由浅入深的研究策略,借助数学建模、理论分析、数值模拟与试验测试研究相结合的手段,研究精确测量与评估航天铝合金焊接结构件在线实时应力和内部残余应力以及变形的分布规律。 2.对航天铝合金结构件焊接应力与变形进行探讨时,主要采用了光纤Bragg光栅(FBG)传感技术、X射线衍射法和热电偶与电阻应变片法的测试试验以及有限元数值模拟和金相分析相结合的方法,利用Sysweld软件数值模拟了焊接过程瞬态温度场和瞬态热应力应变场以及焊后残余应力场,为焊接温度、应力和变形的试验测量提供了布点方案的指导；同时采取FBG法、X射线衍射法和热电偶与应变片法等各种不同的试验测试方法分别得出了LD10CS铝合金平板TIG焊的焊接温度场、应力应变场及残余应力的大小与分布情况,并对其焊接前后的金相组织进行了分析。通过以上各种结果的比较分析,得出焊接应力应变与变形的变化规律,并得出焊接温度、焊接实时应力应变和残余应力应变的数值模拟计算值与试验测量值具有相同的变化规律,说明本文提出的焊接温度场、热应力应变场、残余应力和变形的Sysweld数值模拟方法和光纤Bragg光栅传感技术的在线监测方法是行之有效的,它们与利用热电偶和应变片的在线监测方法以及X射线衍射法具有很好的适应性和正确性,对于焊接结构工程应用具有可行性、合理性和实用性。 3.提出了一种基于光纤光栅传感技术的大型焊接结构件多耦合场在线监测方法,并构建了一种基于光纤Bragg光栅传感技术的焊接应力在线监测系统,分析了该系统的结构特点和若干关键技术问题,采用了一种可靠的温度补偿技术布点方案,有效地解决了该监测系统中FBG传感器对温度和应变交叉敏感测量的温度补偿问题,且在理论与试验分析的基础上得出了光纤Bragg光栅的温度和应变传感特性,同时试验证明了该系统为研究焊接应力与变形规律提供了可靠准确的测量手段：指出了X射线衍射法残余应力测试中出现的衍射强度“突变”现象,并对其产生原因进行了具体分析,同时探讨了X射线衍射法测残余应力的定峰技巧处理问题,为进一步发展和完善铝合金焊接残余应力的X射线分析技术提供了参考；利用数字动态应变仪和Dewetron数据采集仪构建了一种基于电阻应变片和热电偶的焊接应力应变与温度的在线监测系统,并采用了应变片的桥路温度补偿技术。 由于本课题来源于生产实际,应用于航天运载火箭工程焊接结构中,所以文中对航天常用LD10CS铝合金板件焊接应力与变形的研究结果,为进一步优化控制铝合金结构件焊接应力与变形提供了初步数据,并为优化焊接工艺、减少试验工作量、提高焊接接头质量奠定了基础。同时这不仅为研究焊接残余应力与变形提供了强有力的新思路和参考价值,而且对航天铝合金火箭贮箱焊接结构件工程实际应用及难题解决具有重要的现实意义和推动作用。