全铝结构船长甲板的CO2激光焊接技术研究

论文摘要

本文以全铝结构高速船长甲板为主要应用背景,以中厚度船用铝合金长焊缝焊接为主要研究对象,针对目前全铝结构船舶长甲板焊接技术存在的诸多问题,在分析船舶工业中CO2激光加工系统应用特点及对CO2激光长焊缝焊接光学系统参数进行计算的基础上,利用SlabCO2激光器的飞行光学加工系统对4.0mm和6.0mm的5083铝合金及6.0mm的6061铝合金进行了激光焊接基础工艺和长焊缝焊接工艺的研究,并对两种船用铝合金的CO2激光焊接接头性能进行了综合评定,探讨了CO2激光焊接技术在全铝结构船舶制造工业中应用的可行性问题。采用高速摄像装置和光谱分析技术对铝合金CO2激光焊接光致等离子体行为进行了研究。5083铝合金由于易挥发性元素Mg含量大,实现深熔焊的阈值功率要低于6061铝合金;内径为5.0mm的辅助气体喷嘴既具有良好的层流干伸长度,又能提供足够的辅助气体以稀释等离子体,且对于5083铝合金采用20l/min氦气和2l/min氩气的混合气体能够获得良好的焊缝表面,对于6061铝合金应采用30l/min氦气和2l/min氩气的混合气体作为辅助气体。激光功率、焊接速度、送丝速度的合理匹配对焊缝成形至关重要。对于三种规格材料,采用激光扫描焊接和激光填丝焊接的方法,实现了船用铝合金中厚板长焊缝的CO2激光焊接,获得了成形美观且无明显外观缺陷的焊缝,得到了八套焊接工艺方案。根据全铝结构船舶长甲板焊接光学系统的设计要求,利用高斯光束传输和聚焦的基本理论,分析计算了激光器光束质量、聚焦镜焦距以及材料焊接所要求的聚焦光斑最大值的设定对飞行光束光学参数的影响。对比了扩散冷却板条DC035CO2激光器和快速轴流RS200CO2激光器用于飞行光学加工系统的差别。理论上两种CO2激光器都可以用于实现大范围激光加工的飞行光学系统,但从实际系统的实现而言,光束质量较好的DC035CO2激光器比光束质量较差的RS200CO2激光器更加适用于船用铝合金长焊缝焊接的飞行光学系统。船用铝合金厚度越小,实现长焊缝全熔透焊接所允许的聚焦光束束腰半径变化量ωivar和聚焦光束束腰位置变化量范围越大。在实验条件下,对于4mm厚的5083铝合金实现全熔透焊且焊缝表面成形较好,要求sivarωivar小于30μm,小于4.0mm;对于6mm厚的5083铝合金实现全熔透焊且焊缝表面成形较好,要求sivarωivar小于20μm,小于3.0mm;对于6mm厚的6061铝合金实现全熔透焊且焊缝表面成形较好,要求sivarωivar小于15μm,小于2.0mm。对于I型坡口,激光扫描焊和填丝焊所允许的最大间隙分别为0.5mm和0.7mm。由于铝合金长甲板激光焊接对试样的坡口准备和装夹精度要求甚高,在实际生产过程中目前的坡口加工方式和工装夹具,无法满足激光焊接的要求,因此成为全铝结构船长甲板激光焊接技术实际应用的最大障碍。5083铝合金激光填丝焊接头和双面焊接头拉伸强度可达到母材强度的95%,而屈服强度基本与母材的屈服强度持平,拉伸断口位于熔合线附近;6061铝合金激光填丝焊接头和双面焊接头拉伸强度可达到母材强度的82%,而屈服强度低于母材,拉伸断口沿焊缝45°对角线开裂。5083铝合金激光焊接接头经150°三点弯曲试验而不开裂,6061铝合金激光焊接接头弯曲90°沿熔合线发生开裂。5083铝合金激光焊缝冲击韧性值高于母材,而6061铝合金激光焊缝冲击韧性值低于母材。当激光功率超过材料深熔焊接阈值功率后,激光功率对光致等离子体温度的影响不大;激光聚焦光斑位于工件表面附近时,光致等离子体温度较大离焦情况下低;焊接速度对光致等离子体温度的影响表现为倒“U”形曲线规律,即在焊接速度较高和较低情况下,光致等离子体温度均为下降趋势;He气对光致等离子体有良好的冷却效果,对于一定内径的辅助气体喷嘴,等离子体温度随辅助气体流量呈现先增加后减小的趋势;在He气中加入Ar气会导致光致等离子体温度升高,且升高幅度随加入Ar气含量的增加而增加。光致等离子体温度位于6000±200K温度范围内时,焊缝表面成形质量普遍较好;工件表面的等离子体对焊缝的熔深没有贡献,对焊缝熔宽的影响也不明显。对全铝结构船长甲板的激光焊接技术研究,具有重大的实际工程应用价值,同时也具有一定的理论研究价值。在工程应用方面,研究成果能够为论证CO2激光焊接技术在全铝结构船舶制造工业中应用的可行性问题提供必要的技术基础,对相关部门制定全铝结构船舶长甲板的工业激光解决方案,具有重大现实意义。在理论研究方面,研究涉及的铝合金大功率激光焊接技术、大功率激光深熔焊接小孔和等离子体行为的分析研究,对车辆、航空航天等行业铝合金的激光焊接技术具有重要指导意义。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 全铝结构船舶的应用现状与发展

1.2.2 船用铝合金焊接技术现状及存在的问题

1.2.3 激光焊接技术在造船工业中的应用现状

1.2.4 光致等离子体的诊断分析

1.3 本文的研究目标和主要内容

1.4 本章小结

2激光焊接工艺实验'>第2章船用铝合金CO₂激光焊接工艺实验

2.1 实验设备、材料及方法

2.1.1 实验设备

2.1.2 实验材料

2.1.3 焊接实验方法

2.2 激光焊接工艺参数对焊缝成形的影响

2.2.1 船用铝合金激光深熔焊接阈值实验

2.2.2 焦点位置对焊缝成形的影响

2.2.3 辅助气体对焊缝成形的影响

2.2.4 焊接速度与功率的匹配对焊缝成形的影响

2.2.5 送丝参数对焊缝成形的影响

2.3 船用铝合金T 型材的激光焊接工艺规律研究

2.3.1 激光束入射方向和作用位置对T 型材角焊缝成形的影响

2.3.2 焊接速度与送丝速度的匹配关系

2.5 本章小结

2激光焊接光学系统参数分析及焊接实验'>第3 章全铝结构船长甲板CO₂激光焊接光学系统参数分析及焊接实验

3.1 船板激光焊接机的光学系统及设计要求

3.2 船板激光焊接机的光学系统分析

3.2.1 高斯光束传输及聚焦原理

2 激光焊接机的光学系统'>3.2.2 长甲板CO₂激光焊接机的光学系统

2 激光器系统参数的计算对比'>3.3 两种CO₂激光器系统参数的计算对比

3.4 船用铝合金长焊缝激光焊接工艺实验

3.4.1 实验用飞行光束系统参数测量

3.4.2 船用铝合金长焊缝激光焊接实验

3.4.3 船用铝合金长焊缝激光焊接的坡口适应性实验

3.5 本章小结

第4章船用铝合金激光焊接接头性能评定分析

4.1 实验方案

4.2 实验设备及方法

4.3 船用铝合金激光焊接接头组织特征

4.4 船用铝合金激光焊接接头的力学性能

4.4.1 接头的拉伸性能

4.4.2 接头的弯曲性能

4.4.3 接头的冲击性能

4.4.4 接头的显微硬度试验

4.5 本章小结

2激光焊接光致等离子体行为及其光谱分析研究'>第5章铝合金CO₂激光焊接光致等离子体行为及其光谱分析研究

5.1 实验设备及方案

5.1.1 实验设备

5.1.2 实验方案

2 激光焊接光致等离子体行为'>5.2 铝合金CO₂激光焊接光致等离子体行为

2 激光焊接光致等离子体行为的特点'>5.2.1 铝合金CO₂激光焊接光致等离子体行为的特点

2 激光焊接光致等离子体图像信息的提取'>5.2.2 铝合金CO₂激光焊接光致等离子体图像信息的提取

5.2.3 激光焊接工艺参数对光致等离子体波动的影响

5.3 船用铝合金激光焊接光致等离子体光谱分析

5.3.1 等离子体光谱测量的热力学基础

5.3.2 等离子体局域和部分局域热力学平衡的判据

5.3.3 几种等离子体光谱诊断方法的比较

5.3.4 船用铝合金激光焊接光致等离子体光谱特征

5.3.5 激光焊接工艺参数对光致等离子体温度的影响

5.3.6 光致等离子体温度对焊接过程的影响

5.4 本章小结

第6章船用铝合金中厚板激光全熔透焊接过程稳定性研究

6.1 船用铝合金中厚板激光全熔透焊接过程不稳定性表征

6.2 船用铝合金中厚板长焊缝激光焊接深熔小孔稳定性理论分析

6.3 提高全铝结构船长甲板激光全熔透焊接过程稳定性方法展望与探索

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文和申请的专利

致谢

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