铝合金脉冲激光焊接研究

论文摘要

铝合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好等优点,被广泛用作航空航天、汽车等领域的结构材料。采用传统熔焊方法焊接铝合金时容易产生气孔、裂纹及热变形等焊接缺陷。高能束激光焊因具有能量集中、焊接热输入小、热影响区窄、接头变形小等优点,成为铝合金焊接最具有发展前景的方法之一。本文以Nd:YAG脉冲激光器作为焊接热源,针对1mm厚5A05铝合金板,通过正交试验得出了激光焊接该材料最佳焊缝成形参数（焊接电流、脉冲宽度、焊接速度、离焦量）组合,并采用单因素法研究了焊接参数对焊缝成形的影响规律。分析了焊缝中Mg元素分布趋势和焊接参数对Mg烧损的影响规律,同时对接头硬度进行了测定。试验结果表明：随着焊接电流和脉宽的增大,焊缝熔深增大,熔宽先增大后减小；随着焊接速度的增大,熔深减小,熔宽呈先下降再上升的趋势；离焦量在8-10mm时可以获得较大熔深,接头表面成形良好。此外,焊接速度大小对焊缝表面鱼鳞状条纹形貌影响显著。获得理想焊缝成形的焊接电流和焊接速度之间存在一定的匹配关系。Mg烧损率随着焊接电流和脉宽的增加而减少；随着焊接速度和离焦量的增加而增加。受Mg元素含量和冷却速度影响,接头硬度在熔合区附近最大,从焊缝表面到熔池底部硬度先减小再增大。本文建立了脉冲热源模型,利用ANSYS软件对焊接过程温度场、残余应力场进行了模拟；并采用X射线衍射法测定了平板对接接头的焊接残余应力。模拟所得熔池截面形态和焊接残余应力分布趋势均与试验结果吻合良好。模拟结果还显示,温度场等温线形状接近于正圆形,无“尾托”现象；随激光热源的移动,在工件中间区域焊接熔池最高温度低于两端；焊件上某一点的温度随时间出现波峰-波谷-波峰的变化趋势,热沉积作用明显。这部分研究结果对脉冲激光焊接机理研究和进一步开发具有一定的理论意义和应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 铝合金的激光焊接
• 1.2.1 铝合金的激光焊接及其优越性
• 1.2.2 铝合金激光焊接的问题及防止措施
• 1.2.3 其它铝合金激光焊接技术
• 1.3 激光焊接数值模拟的研究概况
• 1.4 课题研究的主要内容
• 2 铝合金脉冲激光焊焊缝成形及其接头特性的试验研究
• 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 试验方法
• 2.2.1 工艺试验
• 2.2.2 成分的能谱分析
• 2.2.3 硬度试验
• 2.3 交试验及其试验结果
• 2.4 激光焊接工艺参数对焊缝成形的影响
• 2.4.1 焊接电流的影响
• 2.4.2 脉冲宽度的影响
• 2.4.3 焊接速度的影响
• 2.4.4 离焦量的影响
• 2.4.5 焊接电流和焊接速度的匹配
• 2.5 铝合金脉冲激光焊Mg元素烧损行为及接头硬度分布
• 2.5.1 焊缝中Al、Mg元素的分布
• 2.5.2 焊接参数对Mg元素烧损和熔深的影响
• 2.5.3 焊接参数对Mg元素烧损影响的机理分析
• 2.5.4 接头硬度分布
• 2.6 本章小结
• 3 焊接过程有限元分析理论基础
• 3.1 有限元法概述
• 3.2 焊接过程有限元分析的特点
• 3.3 焊接过程有限元模型的简化
• 3.4 焊接温度场分析的理论基础
• 3.4.1 焊接传热的基本形式
• 3.4.2 温度场的控制方程
• 3.4.3 非线性瞬态热传导的有限元分析
• 3.5 焊接应力和变形的分析理论
• 3.5.1 屈服准则
• 3.5.2 流动准则
• 3.5.3 强化准则
• 3.5.4 焊接热弹塑性理论
• 3.6 基于ANSYS软件的激光焊接数值模拟
• 3.6.1 ANSYS软件简介
• 3.6.2 焊接过程温度场模拟分析
• 3.6.3 焊接应力场的计算方法
• 3.6.4 温度场和应力应变场数值计算的分析流程图
• 3.7 本章小结
• 4 铝合金脉冲激光焊温度场的数值模拟
• 4.1 温度场有限元分析模拟过程
• 4.1.1 有限元模型的建立和网格划分
• 4.1.2 脉冲激光焊接热源模型的建立
• 4.1.3 材料物理性能参数的选取
• 4.1.4 热边界条件的处理
• 4.1.5 潜热的处理
• 4.1.6 光致等离子体和熔池对流的影响
• 4.1.7 求解方法
• 4.1.8 加载与求解
• 4.2 温度场模拟结果分析
• 4.3 温度场模拟结果试验验证
• 4.4 焊接参数对熔池形状和温度场的影响
• 4.4.1 焊接电流的影响
• 4.4.2 脉冲宽度的影响
• 4.4.3 焊接速度的影响
• 4.4.4 离焦量的影响
• 4.5 本章小结
• 5 铝合金脉冲激光焊接残余应力场的数值模拟
• 5.1 建立有限元模型
• 5.2 定义边界条件和施加载荷
• 5.3 残余应力模拟结果及分析
• 5.4 残余应力测试
• 5.4.1 X射线测试原理
• 5.4.2 应力测试设备及条件
• 5.4.3 焊接件表面残余应力的测量位置
• 5.4.4 试验测试与模拟结果对比
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在校期间发表的论文