铝合金激光立焊焊接特性及气孔问题研究

摘要

铝合金因其比强度高、耐腐蚀等优点而有着广阔的应用前景。激光焊是高能量密度的焊接方法，热源集中，激光焊缝窄而深，不会使工件增重过多，故而将其应用于铝合金材料的连接有着深远的发展意义。但是，铝合金激光焊接过程中容易出现下塌、气孔等缺陷，影响到铝合金在生产中的应用。在实际的生产过程常常涉及到包括立焊的全位置激光焊接。针对以上问题，本文提出了铝合金激光立焊技术，通过改变熔池的受力状态提高焊接匙孔的稳定性，消减气孔。本文从铝合金激光立焊焊缝成形、焊接过程中的等离子体和熔池行为以及焊缝气孔的形成过程、控制方法等角度出发，对铝合金激光立焊的焊接特性、气孔问题等进行了系统全面的研究。
　　以LF6铝合金为研究对象，对铝合金激光立焊的焊缝成形特征，工艺参数对焊缝成形的主要影响规律进行了试验研究。试验结果表明，采用激光立焊技术获得的焊缝宽度与深度比常规平焊方法大，而且激光对离焦量变化不敏感，提高了焊接适应性，保护气体流量与保护方式是影响焊缝成形的主要因素。
　　采用CCD对焊接过程中的等离子体和熔池图像进行在线监测，利用Matlab图像处理技术提取了焊接过程等离子体与熔池特征信息，采用方差计算方法，衡量特征量与焊接过程的稳定性，并分析了焊接参数对等离子体尺寸与熔池形状的影响规律。增大激光功率、减小保护气体流量，都会促使等离子的增加。采用立向上焊接方向有利于熔池拉长，稳定匙孔。
　　本文针对焊缝的气孔问题，对其形成机理及控制方法进行了理论分析与试验研究。发现等离子体和熔池行为在气泡的形成和逸出方面起着决定性的作用，等离子体与匙孔的稳定性是影响熔池气泡形成的主要因素。熔池流动状态决定了气泡的逸出能力，从理论上解释了焊缝气孔缺陷产生机理，并以此为依据提出消除方法。采用立向上焊方法，等离子体相对稳定，气泡形成几率小，同时熔池流动方向与重力一致，熔池的流动速度加快，熔池的搅拌作用增强，更有利于气泡的逸出。正面保护气流量、喷嘴高度、背面保护气流量在保护焊接熔池和控制等离子体的同时，对等离子体的稳定性、大小、熔池的流动方式均产生很大的影响，并最终导致焊缝气孔含量的差异。

目录

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摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 铝合金激光焊接的研究现状

1.2.1 铝合金的焊接特点

1.2.2 铝合金立焊研究现状

1.3 图像传感技术在激光焊接图像检测中的应用及研究现状

1.4 激光焊接气孔问题研究现状

1.4.1 激光焊接中气孔形成机理的研究

1.4.2 激光焊接中气孔抑制方法的研究

1.5 课题研究意义及内容

第2章 铝合金激光立焊焊试验条件及试验方法

2.1 试验条件

2.1.1 试验系统

2.1.2 试验材料

2.2 试验方法

2.3 工艺规范的选择

2.4 本章小结

第3章 铝合金激光立焊焊接特性研究

3.1 铝合金激光立焊焊缝成形特点

3.2 工艺参数对焊缝成形的影响

3.2.1 工艺参数对熔深的影响

3.2.2 正面保护气流量对焊缝成形的影响

3.2.3 背面保护气流量对焊缝成形影响

3.3 本章小结

第4章 铝合金激光立焊等离子体熔池特征量提取

4.1 图像定标

4.2 图像特征

4.3 熔池图像边缘提取

4.4 等离子体面积提取

4.5 铝合金激光立焊等离子体及熔池特征

4.5.1 特征量定义

4.5.2 特征量提取

4.5.3 铝合金激光立焊等离子体特征

4.5.4 铝合金激光立焊熔池特征

4.6 本章小结

第5章 铝合金激光立焊气孔分析

5.1 铝合金激光立焊气孔特征

5.2 铝合金激光焊气孔形成过程

5.2.1 气泡的形成

5.2.2 气泡的逸出

5.3 影响影响铝合金激光立焊气孔问题的主要因素

5.3.1 匙孔的稳定性

5.3.2 熔池流动状态

5.3.3 影响铝合金激光立焊气孔问题的主要因素

5.4 铝合金激光立焊气孔形成规律

5.4.1 焊接方向对等离子体及气孔的影响

5.4.2 激光功率对等离子体及气孔的影响

5.4.3 焊接速度对等离子体及气孔的影响

5.4.4 保护气对等离子体及气孔的影响

5.4.5 试验结果及分析

5.5 铝合金激光立焊气孔的控制方案

5.5.1 铝合金激光焊接标准

5.5.2 气孔缺陷评定

5.6 本章小结

结论

参考文献

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致谢

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