铝合金激光-TIG双面焊接特性与能量作用机制研究

论文摘要

为解决铝合金激光焊接存在的焊接过程稳定性差、能量利用率低、焊接缺陷多等关键问题,本文探索了一种新的铝合金焊接工艺—“激光-电弧双面焊”。一方面,通过电弧的加热作用,提高激光匙孔的稳定性,改善焊缝成形,减少焊接气孔;另一方面,通过激光匙孔的加热作用,提高电弧稳定性,改变电弧焊接特性,在双热源耦合加热作用下,提高激光和电弧的能量利用率、改善焊接质量、降低焊接成本,实现铝合金的稳定、高效、优质连接。本文主要以4mm厚5A06铝合金为试验材料,采用CO2激光和TIG电弧进行激光-TIG双面焊试验。从激光-TIG双面焊的焊接特性角度出发,对铝合金激光-TIG双面焊的工艺特性、焊缝成形、内部缺陷等进行研究,分析了典型激光与电弧能量匹配条件下,双面焊接头的组织及力学性能,提出了控制激光-TIG双面焊接头形状的主要方法,给出了工艺优化范围。同时,针对单激光焊接存在的焊接适应性差、装配条件要求高等问题,研究了激光-TIG双面焊工艺在对接间隙、对中偏移以及不等厚板的焊接适应性,并探讨了该工艺在厚板和薄板铝合金上的应用前景。为掌握激光-TIG双面焊过程中电弧与激光等离子体的物理特征及影响规律,借助于图像采集、电信号传感及图像处理手段,研究激光匙孔加热与等离子体穿透作用下的电弧形态及电弧电压、电流特性,着重分析了激光深熔焊特殊的匙孔传热方式对激光-TIG双面焊电弧特性的影响规律及作用机制,确定了激光匙孔加热在电弧作用区产生的“局部高温度梯度区”是导致电弧收缩、弧压下降、稳定性改善的内在原因,揭示了激光-TIG双面焊接过程中电弧能量效应发生转变的物理机制。同时,分析了电弧热作用下光致等离子体特性发生转变的规律及原因,为激光-TIG双面焊过程热传输机理研究提供试验依据。基于激光匙孔形成的临界能量密度与临界温度条件,建立匙孔穿透与匙孔未穿透两种焊接模式下的激光-TIG双面焊动态热源模型,采用有限元方法计算分析了激光-TIG双面焊接过程中热传输途径与影响作用、焊接熔池与匙孔的建立过程,对激光-TIG双面焊的热传输原理进行阐述。利用建立的动态热源模型预测不同焊接速度和板厚条件下激光-TIG双面焊的焊缝成形规律、熔池熔透与匙孔穿透的临界条件。最后,从理论分析、实验及数值分析等角度对铝合金激光-TIG双面焊的熔深增加、熔化效率提高的机理进行探讨,证明影响激光-TIG双面焊热效率提高的主要因素依次为:热集聚区效应、匙孔深度增大和电弧收缩效应。研究不同焊接条件下焊缝金属熔化效率的变化规律,提出激光-TIG双面焊热源最佳的能量匹配原则和位置条件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铝合金激光焊接的研究现状
• 1.2.1 铝合金激光焊接特点
• 1.2.2 铝合金激光填丝焊技术
• 1.2.3 铝合金双光束激光焊技术
• 1.3 双热源焊接技术的研究现状
• 1.3.1 激光-电弧复合热源焊接技术
• 1.3.2 双面电弧焊技术
• 1.4 双面焊热过程计算的研究现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 铝合金激光-TIG 双面焊的焊接特性
• 2.1 引言
• 2.2 激光-电弧双面焊工艺的提出
• 2.3 激光-TIG 双面焊试验条件
• 2.3.1 试验材料
• 2.3.2 试验系统
• 2.4 铝合金激光-TIG 双面焊的焊缝特征
• 2.4.1 焊缝成形特征
• 2.4.2 接头形貌分析
• 2.5 铝合金激光-TIG 双面焊接头质量分析
• 2.5.1 焊接质量的评定方法
• 2.5.2 焊缝气孔分析
• 2.5.3 力学性能
• 2.5.4 组织特征
• 2.6 影响激光-TIG 双面焊接头形状主要因素
• 2.6.1 接头特征量定义
• 2.6.2 激光与电弧能量匹配条件
• 2.6.3 离焦量和电弧长度
• 2.6.4 焊接速度
• 2.6.5 双面焊工艺优化
• 2.7 激光-TIG 双面焊工艺应用研究
• 2.7.1 对接间隙
• 2.7.2 对中偏移
• 2.7.3 不等厚板焊接
• 2.7.4 中厚板铝合金双面焊工艺探索
• 2.7.5 薄板高速双面焊工艺探索
• 2.8 本章小结
• 第3章 激光-TIG 双面焊的电弧与激光等离子体特性
• 3.1 引言
• 3.2 信号检测系统及图像处理技术
• 3.2.1 信号检测系统
• 3.2.2 图像处理技术
• 3.3 激光加热作用对电弧形态的影响
• 3.3.1 匙孔加热作用对电弧形态的影响
• 3.3.2 激光等离子体对电弧形态的影响
• 3.3.3 电弧弧根尺寸与电流密度分布
• 3.4 激光-TIG 双面焊的电弧电特性
• 3.4.1 电弧电特性
• 3.4.2 电弧电压
• 3.4.3 电弧伏安特性
• 3.5 激光-TIG 双面焊电弧作用机理
• 3.5.1 电弧稳定性分析
• 3.5.2 电弧放电机理
• 3.5.3 激光匙孔加热作用下电弧收缩机理
• 3.6 激光-TIG 双面焊的激光等离子体行为
• 3.6.1 激光等离子体特性
• 3.6.2 双面焊的等离子体形态
• 3.6.3 焊接电流对激光等离子体的影响
• 3.6.4 电弧预热位置对激光等离子体的影响
• 3.6.5 激光等离子体特征分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 激光-TIG 双面焊热传输特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 激光-TIG 双面焊热传输过程分析
• 4.2.1 电弧焊热传输物理过程
• 4.2.2 激光焊热传输物理过程
• 4.2.3 激光-TIG 双面焊热传输物理过程
• 4.3 激光-TIG 双面焊传热过程的数学描述
• 4.3.1 匙孔未穿透型双面焊
• 4.3.2 匙孔穿透型双面焊
• 4.4 激光-TIG 双面焊有限元模型的建立
• 4.4.1 控制方程及定解条件
• 4.4.2 有限元模型的网格划分
• 4.4.3 非稳态问题与非线性问题的处理
• 4.4.4 程序设计
• 4.5 数值计算结果及分析
• 4.5.1 模型验证
• 4.5.2 激光-TIG 双面焊的温度场分布特征
• 4.5.3 激光-TIG 双面焊熔池与匙孔形成过程
• 4.6 焊缝成形与临界熔透条件
• 4.6.1 焊缝成形特征
• 4.6.2 临界熔透条件
• 4.7 本章小结
• 第5章 激光-TIG 双面焊热效率分析
• 5.1 引言
• 5.2 影响激光-TIG 双面焊热效率的主要因素
• 5.2.1 电弧收缩
• 5.2.2 激光能量利用率提高
• 5.2.3 热集聚区效应
• 5.3 激光-TIG 双面焊的熔化效率
• 5.3.1 热源熔化效率定义
• 5.3.2 非熔透条件下的熔化效率
• 5.3.3 全熔透条件下的熔化效率
• 5.3.4 激光与电弧作用位置对熔化效率影响
• 5.4 激光-TIG 双面焊温度测试
• 5.4.1 测温系统
• 5.4.2 温度测试结果分析
• 5.4.3 预热温度对熔化效率的影响
• 5.5 激光-TIG 双面焊能量效应研究
• 5.5.1 热集聚区效应的影响
• 5.5.2 激光能量利用率提高的影响
• 5.5.3 电弧收缩的影响
• 5.5.4 能量效应分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历