铝合金双脉冲MIG焊接过程中焊缝组织和性能研究

摘要

汽车轻量化是实现交通运输业节能、减排的最有效途径。全铝空间框架车身结构具有重量轻、碰撞安全性好、NVH性能优良、耐腐蚀等特点，被世界各大汽车企业广泛使用。铝合金车身的连接工艺对整车性能有重要的影响，本文以汽车铝合金保险杠为研究对象，开展6061-T6铝合金车身结构件双脉冲熔化极惰性气体保护焊MIG焊接技术基础研究，深入研究铝合金薄壁结构在焊接过程中存在变形大，焊接接头组织与力学性能差等关键问题，为6061-T6铝合金焊接工艺的制订提供理论支持。
　　基于ABAQUS仿真软件平台建立了铝合金板材T形接头焊接的三维仿真模型，分析了焊接过程中温度场与应力、应变场的变化规律。发现随着强、弱脉冲之间的周期性转变，焊接温度与熔池尺寸随之发生规律的变化，有利于形成鱼鳞纹状的焊缝，获得细小均匀的焊缝组织。平均焊接电流与焊接温度、接头残余应力以及强弱脉冲电流差值与强、弱脉冲阶段的温度和应力差值成正比。当强、弱脉冲电流差值为40A，平均焊接电流为90A，焊接熔池的最高温度将超过母材熔点约200℃。当焊接强、弱脉冲温度相差增约100℃时，焊缝鱼鳞纹形貌较好，焊缝的成型性能最优。
　　采用T型薄板双脉冲MIG焊确定的最优工艺参数，模拟4种不同焊接顺序下某车型汽车铝合金保险杠的复杂焊接过程，分析不同焊接顺序对残余应力和焊接变形的影响。结果表明，由于吸能盒焊缝附近局部温度场较均匀，连续环状焊接的残余应力值最小;由于对称焊缝焊接过程中变形的相互抵消作用，致使以单个吸能盒为基准对称焊接的变形量最小。通过数值仿真制订了最优的焊接顺序，焊缝外观和质量满足工业生产要求。
　　研究了ER4043和ER5356两种铝合金焊丝对6061-T6铝合金双脉冲MIG焊接接头的组织与力学性能的影响。结果表明，焊接接头的力学性能主要取决于焊缝和热影响区。使用ER4043焊丝和ER5356焊丝得到的焊接接头的强度接近，且明显低于母材的强度。采用ER4043焊丝和ER5356焊丝得到的接头硬度分布趋势基本相同，均以焊缝为中心呈近似对称分布。ER5356焊丝焊接接头的焊缝组织为细小的铸态组织，枝晶较细，而采用ER4043焊丝焊接时，焊缝组织为较大晶粒的铸态组织，且枝晶较发达。两种焊丝焊接时，熔合区近缝侧为柱状晶组织，靠近热影响区一侧为细小的等轴晶组织。与原始母材相比，热影响区的晶粒发生了一定程度的粗化。
　　分析了不同时效时问、温度条件下焊缝区域的硬度分布和拉伸性能变化。当热处理工艺为180℃-8h时，焊接接头的综合性能最高。通过拉伸断口形貌分析、焊缝处第二相与强化析出相的表征发现，未焊后热处理的焊缝中存在大量的位错，析出相较少。随着焊后热处理温度的提高，位错密度不断减小，同时伴有析出相的析出和快速长大。当时效温度增加到200℃-4h时，形成尺寸较大的强化相Q'相，此时拉伸性能达到峰值。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 铝合金焊接技术及相关理论研究

1．2．1 铝合金焊接的研究现状

1．2．2 铝合金焊接存在的问题

1．2．3 铝合金双脉冲MIG焊接的优势

1．3 铝合金焊接数值模拟的研究进展

1．3．1 焊接温度场有限元分析的研究进展

1．3．2 焊接应力应变场有限元分析的研究进展

1．4 铝合金焊丝对焊缝性能影响

1．4．1 铝合金焊丝发展与现状

1．4．2 铝合金焊丝选择原则

1．5 铝合金焊后热处理对组织性能影响

1．6 6xxx系铝合金的时效析出序列

1．7 本文的研究目的和内容

第2章 试验设备、材料及方法

2．1 试验设备

2．1．1 焊接设备

2．1．2 焊接夹具

2．1．3 焊后时效设备

2．2 实验材料

2．2．1 实验材料

2．2．2 材料焊前准备

2．3 试验方法

2．3．1 正交试验法

2．3．2 显微硬度测试

2．3．3 力学性能测试

2．3．4 金相样品制备与观察

2．3．5 扫描电镜观察

2．3．6 透射电镜观察

2．3．7 焊接温度场试验验证方法

2．3．8 焊接应力试验验证方法

第3章 双脉冲MIG焊接工艺对焊缝组织性能影响及参数仿真优化

3．1 正交试验结果分析

3．2 T型接头双脉冲MIG焊数值模拟分析

3．2．1 T型接头焊接数值模拟技术

3．2．2 T型接头温度场焊接计算结果及分析

3．2．3 T型接头应力应变场焊接计算结果及分析

3．3 电流对T型接头温度场和应力应变场的影响

3．3．1 焊接平均电流对温度场和应力应变场的影响

3．3．2 焊接强弱脉冲电流差值对温度场和应力应变场的影响

3．4 典型汽车结构件的焊接有限元模拟分析

3．4．1 典型汽车结构件有限元模型

3．4．2 模拟结果及分析

3．4．3 焊接顺序的影响

3．5 本章小结

第4章 焊丝成分对6061-T6铝合金焊接接头组织及性能的影响

4．1 焊丝成分对接头性能的影响

4．1．1 焊接接头的拉伸性能

4．1．2 显微硬度分析

4．2 焊丝成分对接头组织的影响

4．2．1 焊接接头金相组织分析

4．2．2 焊接接头透射电镜分析

4．3 分析与讨论

4．4 本章小结

第5章 焊后时效对6061-T6铝合金双脉冲MIG焊接接头微观结构和力学性能的影响

5．1 焊接接头的硬度分布

5．2 焊接接头的拉伸性能

5．3 拉伸断口形貌分析

5．4 焊缝处第二相颗粒

5．5 强化析出相特征

5．6 本章小结

结论及创新点

参考文献

致谢

附录A 攻读博士期间发表的学术论文与学术活动