铝合金激光焊接凝固裂纹判据的研究

摘要

随着激光器功率的提高，激光焊接铝合金得到较为广泛运用。然而，在激光焊接铝合金时，容易产生热裂纹。为了防止在激光焊接铝合金所产生的热裂纹，一般从工艺因素以及冶金因素两方面进行考虑。本文通过引入焊缝元素当量的概念，建立铝合金凝固裂纹判据。通过对纯铝板以及ZL114A铝合金，在同一种焊接工艺下进行激光填粉焊接，从冶金因素角度研究了各种元素对这两种材料所产生凝固裂纹的影响。通过能谱分析，得到裂纹断口附近的元素含量。根据所测得元素含量，类比碳当量表达式，以元素含量作为输入，凝固裂纹敏感系数K作为输出，利用数学回归以及BP人工神经网络进行建模，并对这两种模型进行比较。利用MATLAB对所测得的数据进行回归对两种材料能得到如下硅当量表达式，对纯铝板：52.9 0.29 4.03 5.3 19.33-K=Si+O+Mg-Fe-Cu+3.17，对于ZL114A铝合金：21.98K=Si+0.92Cu+1.77O-2.27Mg-0.82Fe-8.7。分析以上表达式得到：对于纯铝板所产生的凝固裂纹，硅以及镁元素的能降低裂纹的产生，而铁以及铜元素是促进裂纹的生成，尤其是铜元素。对于ZL114A铝合金所产生的凝固裂纹，其中镁元素抑制裂纹的产生，降低裂纹倾向性，而硅、氧以及铜元素是促进裂纹的生成。而经过训练的BP人工神经网络模型只能较好的预测所产生的裂纹敏感系数，并且不是很稳定。通过比较所建立的硅当量表达式和BP人工神经网络的预测能力发现：焊缝元素当量表达式能较为精确的预测纯铝板以及ZL114A铝合金焊缝中是否产生凝固裂纹，而BP人工神经网络能更加准确地预测凝固裂纹敏感系数K。因此，将所建立的模型综合起来考虑，能得到较为全面的分析结果。