基于紫铜/白铜填充中间层及低线能量控制黄铜激光焊气孔的研究

摘要

激光焊凭借能量密度高，加热集中等优势成为黄铜焊接的优选方法，但是由于锌的沸点低于铜的熔点，所以黄铜在激光焊接过程中会出现大量的锌蒸发现象，由于黄铜的热导率较高，所以熔池凝固速度快，来不及逸出的锌蒸气被包埋在焊缝中形成气孔。这些气孔会削弱焊缝的有效工作截面积，降低焊接接头的力学性能，对焊缝质量产生不利影响，从而制约黄铜焊接件的广泛应用，因此黄铜激光焊接气孔缺陷需要着力解决。
　　本文针对黄铜激光焊接过程中产生大量焊接气孔的缺陷，采用数值模拟与试验研究相结合的方法，首先选用平面高斯热源对厚度为1.5mm的H62黄铜薄板对接激光焊温度场进行了数值模拟计算，提取并分析了焊接准稳态时刻熔宽方向上不同节点的热循环曲线。然后通过模拟平均功率，焊接速度和离焦量等激光焊接参数单因素变量对焊缝熔宽和最高温度的影响趋势，得到一组优化的焊接工艺参数。基于此参数进行黄铜薄板在不同速度下的激光焊接试验，研究激光焊接线能量对焊缝气孔率，接头下陷量的影响规律。可知随着焊接速度地提升，焊缝气孔率有所降低，接头下陷现象有所改善，但气孔缺陷并不能完全消除。
　　为了彻底消除焊接气孔缺陷，本文创新性提出了基于紫铜/白铜中间层条件下黄铜薄板对接激光焊的新方法，并进行大量试验研究，通过对比分析紫铜/白铜中间层焊接方案和黄铜普通对接激光焊方案下的焊缝气孔率，接头下陷量，焊接接头抗拉强度和维氏硬度等力学性能，可知焊接参数相同时，中间层条件下的焊缝气孔率仅为黄铜薄板普通对接激光焊缝气孔率的三分之一，接头力学性能也好于普通对接激光焊。采用中间层焊接方案，将焊接速度提升至2.2mm/s时，焊缝成形好，焊缝气孔率几乎为零，接头下陷也得到明显改善。本课题还研究了不同焊接方案及焊接速度下激光焊接过程中蒸气团的动态行为，通过宏观对比蒸气团的形貌，可以发现，随着焊接速度的提升，蒸气团尺寸有明显的减小趋势，证明通过提高焊接速度降低激光焊接线能量能有效控制锌蒸气的蒸发量；采用紫铜/白铜中间层条件下的新方法焊接黄铜薄板时的蒸气团尺寸较普通黄铜薄板对接激光焊蒸气团小得多。这证明了中间层材料的稀释作用对减少锌蒸发量的有效性。
　　以上研究结果表明，在保证焊缝成形性良好的前提下，采用紫铜/白铜中间层焊接新方法，并降低激光焊接线能量是解决黄铜激光焊焊接气孔、接头下陷等缺陷行之有效的方案，具有非常高的工程应用价值。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题思路的提出

1.4 本文的主要研究内容与创新点

1.5 本文的结构安排

第2章 试验材料及试验方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 工装夹具

2.4 焊接接头使用性能研究

2.5 蒸气团动态行为研究

2.6 试验方法

2.7 本章小结

第3章 黄铜薄板激光焊接温度场模拟分析

3.1 激光焊接温度场分析的基本理论

3.2 黄铜对接激光焊接温度场的数值模拟

3.3 激光焊接工艺参数对焊接温度场的影响

3.4 本章小结

第4章 黄铜薄板对接激光焊缝气孔率研究

4.1 脉冲激光焊接的主要工艺参数

4.2 黄铜薄板对接激光焊缝形貌分析

4.3 黄铜薄板激光焊缝气孔率分析

4.4 本章小结

第5章 基于紫铜/白铜填充中间层条件下焊缝气孔率的研究

5.1 基于中间层条件下黄铜薄板对接激光焊设想的提出

5.2 紫铜中间层条件下黄铜薄板对接激光焊气孔率分析

5.3 白铜中间层条件下黄铜薄板对接激光焊气孔率分析

5.4 三种焊接方案下焊接接头下陷量、气孔率对比

5.5 本章小结

第6章 焊接过程中蒸气团动态行为

6.1 不同焊接速度下蒸气团动态行为

6.2 不同焊接下条件下蒸气团动态行为

6.3 本章小结

第7章 焊接接头力学性能及微观组织研究

7.1 激光焊接头抗拉强度

7.2 焊接接头维氏硬度

7.3 接头微观组织分析

7.4 本章小结

第8章 结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果