脉冲冷焊再制造工艺对45钢基体组织和性能的影响

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再制造产业是一种新兴的国家战略性绿色制造产业。其旨在大量恢复设备及其零部件的性能,减少制造业的能源消耗并有效减少对环境的污染,使制造业朝着绿色,环保的方向升级的同时能为国家创造出巨大的经济效益。随着近年来再制造产业的兴起,脉冲冷焊修复技术也得以迅速发展。脉冲冷焊修复技术是一种基于脉冲信号的表面修复技术,可以很好的修复零部件的缺陷。在这项技术的实际应用中,如何使基体与修复层之间具有良好的结合力、获得更好的修复效果,是该技术目前所面临的问题。本课题围绕这些尚需解决的问题,使用脉冲冷焊技术,对常用金属材料45钢进行再制造修复,系统研究了其修复机理。首先,采用大型有限元数值分析软件ANSYS,利用生死单元技术模拟出脉冲冷焊修复过程的温度场,同时对温度值进行了实验测量,并分析了电流和修复速度对其修复过程温度场分布的影响。然后在尺寸为50mm×50mm×10mm的45钢基体对称中心处加工一条50mm×6mm×1mm的规则体缺口,采用脉冲冷焊修复技术,对缺口处实施再制造修复,制备Q345修复层。使用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射以及显微硬度计,研究基体与修复层的结合区域的相组织、微观结构、元素扩散以及硬度分布情况。最后,通过修复层质量,对脉冲冷焊工艺最优工艺参数的选取进行了探讨。结果表明:使用生死单元技术能够成功模拟出脉冲冷焊修复过程温度场;想要提高修复效果,电流值应适当提高,修复速度不应过慢。基体与补材结合处有着熔合区域,修复质量较好;熔合区域内伴随着元素的扩散现象,且在修复界面检测出有γ(Ni,Cr,Fe)、Co3Fe7和C0.055Fe1.945等新相的存在,这说明在脉冲冷焊修复时,基体与修复层以冶金方式相结合;在使用脉冲冷焊技术时,修复频率的选择原则应当满足被修复面积上所有部位被熔合为宜,能量幅度的选择原则应当满足被修复后组织不会出现过热组织为佳;修复后HAZ范围很小。补焊修复层硬度比基体低,给后期零件的机械处理提供了便利。在实验范围内,脉冲冷焊最佳频率为25HZ,能量输出幅度为40%。通过文中对脉冲冷焊温度场的研究,对不同工艺参数下修复后截面的相组织、微观结构、元素扩散以及硬度分布情况的系统分析,以期为脉冲冷焊修复技术在再制造产品质量的提升提供理论支持。
摘要第4-5页
Abstract第5-6页
第一章 绪论第10-19页
    1.1 课题来源第10页
    1.2 选题背景及意义第10-11页
    1.3 再制造产业发展研究现状第11-13页
        1.3.1 再制造产业国外发展研究现状第11-12页
        1.3.2 再制造产业国内发展研究现状第12-13页
    1.4 脉冲冷焊修复技术的特点及应用第13-14页
    1.5 冷焊修复技术研究现状第14-17页
        1.5.1 焊接修复温度场数值模拟研究现状第14-16页
        1.5.2 冷焊修复层组织性能研究现状第16-17页
        1.5.3 冷焊修复技术在企业的应用第17页
    1.6 ANSYS软件介绍第17-18页
    1.7 本文主要研究内容第18-19页
第二章 脉冲冷焊修复温度场数值模拟理论基础第19-28页
    2.1 引言第19页
    2.2 有限单元法介绍第19-20页
    2.3 脉冲冷焊温度场分析理论第20-23页
        2.3.1 温度场控制基本方程第20-21页
        2.3.2 边界条件及初始条件第21-22页
        2.3.3 非线性瞬态温度场有限元计算第22-23页
    2.4 热源模型第23-27页
        2.4.1 高斯热源模型第24-26页
        2.4.2 双椭球型热源模型第26-27页
        2.4.3 体生热率模型第27页
    2.5 本章小结第27-28页
第三章 脉冲冷焊修复层数值模拟研究第28-43页
    3.1 几何建模第28-30页
        3.1.1 模型假设第28-29页
        3.1.2 单元类型及材料属性第29页
        3.1.3 几何模型的确定第29-30页
    3.2 网格划分第30-31页
    3.3 加载计算第31-32页
        3.3.1 施加热源及边界条件第31-32页
        3.3.2 载荷步选项第32页
    3.4 温度场计算结果分析第32-39页
        3.4.1 不同时刻温度场分布云图第32-35页
        3.4.2 沿焊缝方向温度循环曲线第35-38页
        3.4.3 垂直于焊缝方向温度分布第38-39页
    3.5 温度场测定实验第39-41页
        3.5.1 实验材料及方法第39-40页
        3.5.2 实验结果及比较分析第40-41页
    3.6 本章小结第41-43页
第四章 实验设备、材料及方法第43-50页
    4.1 实验设备第43-46页
        4.1.1 脉冲冷焊修复设备第43-44页
        4.1.2 检测设备第44-46页
    4.2 实验材料第46-47页
        4.2.1 基体材料第46-47页
        4.2.2 修复材料第47页
    4.3 实验方法第47-50页
        4.3.1 修复过程第47-48页
        4.3.2 检测试样制备过程第48-49页
        4.3.3 检测方法第49-50页
第五章 修复层组织性能研究第50-64页
    5.1 引言第50页
    5.2 实验方法第50-51页
    5.3 结合界面组织分析第51-54页
        5.3.1 金相组织分析第51-52页
        5.3.2 显微组织分析第52-54页
    5.4 结合界面元素扩散分析第54-57页
    5.5 物相成分分析第57-59页
    5.6 显微硬度分析第59-60页
    5.7 输出幅度和脉冲频率对冷焊修复层质量的相互作用机理第60-61页
    5.8 四组修复实验的对比研究第61-63页
    5.9 本章小结第63-64页
第六章 总结与展望第64-66页
    6.1 结论第64-65页
    6.2 工作展望第65-66页
参考文献第66-70页
致谢第70-71页
攻读学位期间的研究成果第71-72页
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