2A16铝合金激光焊接工艺研究及数值模拟

论文摘要

铝合金由于密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、易于加工成形及无低温脆性转变等许多优点被广泛应用于各种焊接结构中。激光焊接技术具有能量密度高,加热集中,焊接速度快,对材料的热损伤小,焊缝深宽比大,接头的残余应力低等特点,是焊接高强铝合金的首选工艺。本文研究了2A16铝合金激光焊接工艺,分析了影响焊接过程稳定性和焊缝成形性能的主要因素及影响规律,同时利用ANSYS有限元方法对铝合金激光焊的温度场和应力场进行了数值模拟,分析了焊件的残余应力分布特点,为预测和控制焊件的残余应力、优化焊接工艺提供了试验和理论基础。采用YAG激光器进行了厚度为1.2mm平板2A16铝合金焊接,分析了包括工作电流、焊速、离焦量等因素对焊缝成形和焊接宏观质量的影响规律。同时还进行了2A16激光焊接接头的硬度性能测试,并利用OM、SEM手段观察了铝合金激光焊接接头的金相组织。实验结果表明,离焦量是影响是否焊透的关键因素。对于在激光焊接中产生气孔和裂纹缺陷问题,通过优化工艺降低了缺陷产生的机率,通过X射线探伤,证明焊缝中无明显裂纹存在,铝合金激光焊的适宜工艺参数：工作电流Ⅰ=380A,脉宽w=6ms,频率f=8Hz,焊接速度v=90mm/min,气流量h=5L/min,离焦量F=2mm。焊缝区硬度明显高于母材区,通过金相观察发现了层状形貌。基于ANSYS软件采用高斯热源模型对激光焊接接头温度场进行了有限元模拟,建立了符合激光焊接温度场计算的有限元几何模型,并划分了合适的网格；通过APDL二次开发语言可实现激光焊中移动热源的加载和卸载。解决了焊接热源移动的数学模拟问题,讨论了热源移动速度、激光加热有效半径等参数对结果的影响。结果表明模拟的等温线形状与试验所得的等温线形状是吻合的。在温度场模拟的基础上,用间接法模拟应力场,对焊接过程的热应力及残余应力进行了预测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 2A16铝合金焊接技术和特点
• 1.2.1 2A16铝合金焊接技术
• 1.2.2 2A16铝合金焊接性特点
• 1.3 激光焊国内外研究现状
• 1.3.1 激光焊接原理
• 1.3.2 铝合金激光焊接研究进展
• 1.4 本课题研究主要内容
• 2 试验过程及研究方法
• 2.1 试验材料及试验设备
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 试验设备
• 2.2 试验内容
• 2.2.1 工艺试验方法
• 2.2.2 激光焊接工艺参数的选择
• 2.2.3 分析方法
• 3 2A16铝合金激光焊接工艺研究
• 3.1 2A16铝合金激光焊接焊缝形貌
• 3.2 焊接工艺参数对激光焊焊缝成形的影响
• 3.2.1 工作电流的影响
• 3.2.2 焊接速度的影响
• 3.2.3 离焦量的影响
• 3.2.4 保护气体流量的影响
• 3.2.5 脉宽的影响
• 3.2.6 频率的影响
• 3.3 激光焊接头微观组织及性能分析
• 3.3.1 金相显微组织分析
• 3.3.2 焊缝显微硬度分析
• 3.4 焊接接头中存在缺陷分析
• 3.4.1 焊接接头中的气孔
• 3.4.2 焊缝中裂纹的分析
• 3.5 激光焊接工艺的优化
• 3.6 本章小结
• 4 铝合金激光焊接数值模拟
• 4.1 有限元法概述
• 4.2 激光焊接数值模拟理论基础
• 4.2.1 焊接温度场分析理论
• 4.2.2 热应力场分析理论
• 4.3 温度场有限元模拟的处理过程
• 4.3.1 定义材料属性
• 4.3.2 实体模型的建立及网格划分
• 4.3.3 加载计算
• 4.4 应力场有限元模拟的处理过程
• 4.4.1 用ANSYS进行应力场分析的基本过程
• 4.4.2 材料的力学性能参数
• 4.5 本章小结
• 5 激光焊接模拟结果分析与讨论
• 5.1 激光焊接工艺参数对温度分布的影响
• 5.1.1 焊接速度
• 5.1.2 激光加热有效半径
• 5.2 激光焊接温度分布计算结果分析
• 5.2.1 整体温度的分布
• 5.2.2 焊件上各节点的温度时间变化历程
• 5.3 激光焊接应力分布计算结果及分析
• 5.3.1 用ANSYS进行应力分布分析的基本过程
• 5.3.2 焊接过程中的应力分布讨论
• 5.3.3 焊接冷却过程中的应力分布讨论
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 在校期间发表论文