典型材料激光焊接温度场特征及接头力学行为的研究

摘要

不锈钢和铝合金是日常生活中应用广泛的金属材料，前者价格便宜、强度高，后者质量轻、比强度高，二者都具有耐蚀性好的特征。激光焊作为新型的焊接方法，具有能量密度高、焊接速度快、热影响区小等显著的优点。本文采用红外热像仪对光纤激光焊接304不锈钢和5A90铝锂合金的温度场进行实时拍摄，研究这两种材料激光焊接温度场的分布特征及其与焊接参数的关系。同时，对5A90激光焊接后接头的显微组织、拉伸性能进行了研究，并运用红外热成像方法分析了接头拉伸及疲劳过程力学行为，揭示了5A90激光焊接接头拉伸和疲劳损伤机理。 通过对304不锈钢焊接温度场的研究发现，在熔池前端形成“小孔”高温区域，温度梯度非常大，在熔池后端出现次高温区，其温度与材料的熔点相近；在两个高温区之间存在一个相对低温区域，其温度在1000℃左右。在整个焊接过程中，焊缝正面温度场呈稳定的演变状态，三个区域虽成动态变化，但基本规律保持不变。激光功率一定时，随焊接速度的减小，熔化区域的长度和宽度都在增加。焊接速度一定时，随激光功率的增加，焊缝正面温度场的整体温度增加，特别是熔池后端次高温区的温度和面积显著增加。输入线能量相近时，高功率/高速度组合的“小孔”区域温度较高，低功率/低速度组合的次高温区域的温度较高、面积较大，但是后端焊缝区域的温度较低。 通过对5A90激光焊接温度场的研究，发现在熔池前端同样形成“小孔”高温区域，其温度梯度非常大，整个温度场形似“水滴”。熔池小孔随时间成打开闭合之势，但温度场在整个焊接过程中的稳定性相对较好。激光功率一定时，随焊接速度的减小，温度场熔化区域的长度和宽度都在增加，但是温度场分布的基本特征同样不发生改变。焊接速度一定时，随激光功率的增加，焊缝正面温度场的整体温度都增加，熔池小孔内的最高温度和直径增加较明显。输入线能量相近时，低功率/低速度组合的整体温度较高功率/高速度组合的更高，熔池小孔内的最高温度增加显著，熔化范围更大。 对5A90激光焊接接头进行显微硬度测量、拉伸性能测试以及拉伸过程原位红外热成像分析。结果表明，焊接接头由母材、热影响区和焊缝金属组成。焊缝区的显微硬度低于母材，熔合线附近等轴细晶区的显微硬度与母材相当。焊接接头的抗拉强度和延伸率明显低于母材。红外热成像分析发现，接头和母材试样在拉伸过程中表面温度呈现先下降后上升的趋势。对5A90激光焊接接头疲劳循环过程的红外热成像数据分析后，发现试样在疲劳循环过程中表现出明显的热特征，在疲劳循环初期，由于显微裂纹的萌生，试样表面出现了低温点，在疲劳裂纹扩展至断裂前，由于塑性变形的增大，疲劳裂纹尖端温度急速上升。此外，焊接接头作为薄弱区存在应力集中现象，焊缝中心处应力值最大。随着疲劳循环周次的增加，焊缝区的应力表现出增大→稳定→增大的趋势，裂纹尖端的应力在疲劳断裂时刻达到极大值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 典型材料激光焊接温度场的研究现状

1.3 铝合金焊接接头力学行为研究现状

1.4 本文研究内容及技术路线

第二章 试验材料与试验方法

2.1 试验材料及焊前清理

2.2 光纤激光焊接试验设备及试验方法

2.3接头质量检测及组织特征观察

2.4 力学性能测试试验

第三章 304不锈钢光纤激光焊接温度场特征研究

3.1 304不锈钢光纤激光焊接正面温度场特征分析

3.2 焊接参数对304不锈钢焊缝正面温度场的影响

3.3本章小结

第四章 5A90铝锂合金光纤激光焊接温度场特征研究

4.1 5A90铝锂合金光纤激光焊接正面温度场特征分析

4.2 焊接参数对5A90铝锂合金焊缝正面温度场的影响

4.3 本章小结

第五章 5A90铝锂合金光纤激光焊接接头力学行为研究

5.1 5A90铝锂合金焊接接头显微组织特征

5.2 5A90铝锂合金焊接接头显微硬度分布特征

5.3 5A90铝锂合金焊接接头拉伸性能及过程行为分析

5.4 5A90铝锂合金焊接接头疲劳行为研究

5.5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文