镀锌钢板—不锈钢板激光叠焊工艺研究

论文摘要

镀锌钢在腐蚀环境中能对钢基起到阳极保护作用,可大幅延长零件使用寿命,AISI304不锈钢具有优异的抗腐蚀性、出色的成型性及焊接性,将镀锌钢板作为内侧加强结构,与AISI304不锈钢板组合形成的焊接结构可充分利用这两种钢材各自的优点,在保证不锈钢表面优异质感的同时,提高组合结构的强度,由此要求镀锌钢板与AISI304不锈钢板实现非熔透型焊接。镀锌钢与AISI304不锈钢的传统焊接工艺是电阻点焊和胶接,前者存在着门板正面有可见焊疤、表面不平整、变形大等缺点,难以实现高质量的连接,且降低了外观质量。后者的强度不够高,易老化,效率低下,且会带来环境污染等问题。因此,如何在保证连接强度的情况下实现焊后不锈钢表面无焊接痕迹、变形小、表面平整美观以提高外观质量是当前人们关注的热点问题,该工艺的突破将预示着在飞机、高铁及电梯领域广泛的应用前景。激光焊接能够实现很多类型材料的连接,而且激光焊接具有传统焊接工艺无法比拟的优越性,尤其是航空与汽车工业中同种或异种难焊的薄板合金材料的激光焊接,使焊接结构变形小、焊接接头质量高、重现性好。本文首先对镀锌钢板和AISI304不锈钢板进行了非熔透型激光叠焊试验研究,通过比较不同工艺参数作用后,接头表层的宏观形貌,焊缝熔深和抗剪强度,得到最佳工艺参数,对最佳工艺参数下接头的微观组织和显微硬度分布进行了分析；其次进行了激光焊接过程的数值模拟,分析最佳工艺参数下的温度分布云图,焊接热循环曲线,熔池形状,将计算结果中温度场的熔化等温线与实际焊缝横截面宏观形貌进行对比,用来验证模型；最后对焊接过程中的缺陷和锌行为等关键性问题进行了分析。得出以下结论：（1）在焊接试验中,采用Nd:YAG激光器作为焊接热源,对镀锌钢和AISI304不锈钢结构进行了非熔透型激光叠焊,可获得连接强度高且不锈钢板面无焊痕的精美焊接结构。激光叠接焊最佳工艺参数为I=350A,V=100mm/min,ΔF=-1mm, f=4Hz, W=10ms,此时熔深为1.53mmm,接头的抗剪强度为194MPa,达到了强度要求,焊板底面无焊接痕迹。焊缝中心发生马氏体相变,焊缝组织细而致密,生成板条状马氏体组织和残余奥氏体,靠近镀锌板侧的焊缝还有一定的珠光体组织。镀锌板侧的热影响区组织为铁素体、珠光体和少量马氏体,不锈钢侧的热影响区组织为奥氏体,少量δ-铁素体和少量马氏体。（2）在数值模拟中,采用Ansys有限元分析软件,三维双椭球体热源模型,进行了一个非线性瞬态热传导过程的分析,实现了激光焊接过程的数值模拟,得到了与实验基本相适应的焊接温度场。将最佳参数下焊缝截面形貌与模拟计算的熔池形貌进行对比,两者的熔合线基本吻合。（3）实验过程中发现激光焊接镀锌钢板和不锈钢板的最主要缺陷是气孔和裂纹,采取侧吹保护气体以及使镀锌钢板和不锈钢板之间预留一定的间隙等措施可有效防止缺陷的产生,使锌对激光焊接的影响减到最小的程度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 激光焊接技术及其应用
• 1.2.1 激光焊接原理
• 1.2.2 激光焊接特点
• 1.2.3 激光深熔焊的主要影响因素
• 1.3 激光焊接应用于镀锌钢板-不锈钢板连接的相关研究现状
• 1.3.1 国内
• 1.3.2 国外
• 1.4 镀锌钢-不锈钢传统连接方法及问题
• 1.5 课题的提出
• 1.6 课题研究内容和技术路线
• 1.6.1 课题的研究内容
• 1.6.2 课题的技术路线
• 第2章 实验内容和方法
• 2.1 实验材料及设备
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 实验方法
• 2.3 分析与测试
• 2.3.1 宏观形貌和微观组织分析
• 2.3.2 显微硬度测试
• 2.3.3 拉伸性能测试
• 第3章 镀锌钢板-不锈钢板激光叠焊的工艺研究
• 3.1 镀锌钢与不锈钢焊接性分析
• 3.1.1 镀锌钢板焊接性分析
• 3.1.2 304不锈钢焊接性分析
• 3.2 激光焊接工艺参数
• 3.3 激光工艺参数分析
• 3.3.1 电流
• 3.3.2 焊接速度
• 3.3.3 离焦量
• 3.4 激光焊缝接头组织形貌分析
• 3.4.1 焊缝组织
• 3.4.2 热影响区的组织
• 3.5 焊接接头的显微硬度分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 镀锌钢板-不锈钢板激光叠焊温度场数值模拟
• 4.1 焊接温度场有限元模型
• 4.1.1 传热的基本方式
• 4.1.2 激光深熔焊热传导微分方程
• 4.1.3 瞬时热传导有限元分析
• 4.2 温度场计算模型
• 4.2.1 激光焊接热源模型的选取
• 4.2.2 基于生死单元技术的热源模型
• 4.2.3 材料的物理性能参数
• 4.3 温度场模拟计算
• 4.3.1 定义材料属性
• 4.3.2 建立模型与网格划分
• 4.3.3 热源的加载
• 4.3.4 假设条件
• 4.3.5 施加边界条件
• 4.3.6 焊接步长的确定和求解计算
• 4.4 计算结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 镀锌钢板-不锈钢板激光叠焊关键问题
• 5.1 焊接缺陷及控制措施
• 5.1.1 气孔
• 5.1.2 裂纹
• 5.1.3 其它焊接缺陷
• 5.2 镀锌钢板和不锈钢板激光焊接中锌的影响研究
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果