光纤激光填粉焊接镀锌钢的粉束流形态及锌烧损研究

摘要

随着激光技术的高速发展和车身的轻量化趋势，能有效降低车身重量的激光焊接将代替传统电阻点焊的焊接方式。然而，常规激光焊接难以对焊缝的成分进行调控。为了保证焊接的性能，同时调控焊缝的成分，提高焊缝力学性能，填加材料的焊接技术因此而产生。激光填粉焊接是一种高柔性化焊接加工技术，能实现焊缝成分的控制。为了探究粉末填加与焊缝成分的关系，本文对镀锌钢激光填粉焊接粉末喷送过程进行了仿真及实验研究。
　　本文首先基于流场气固两相流离散相的粉末喷送模型对粉束形态进行研究。通过分析粉束截面的浓度值得到了粉束流分布密度。同时，研究了影响粉末焦距、最大粉末浓度、粉末焦斑直径和粉末焦深的粉束特征与喷口直径、喷口角度、载气流量以及保护气体流量工艺参数之间的相关性。结果表明:粉末焦距与粉末喷口角度呈正切函数相关，是影响粉末焦距的主要参数;最大粉末浓度与喷口直径呈负相关;载气流量和喷口角度与粉束焦斑直径呈负相关，保护气体流量和喷口直径与粉束焦斑直径呈正相关;在保护气流量为8L/min、载气流量8L/min、喷粉口直径0.8mm和喷粉口角度70°时，此组工艺参数组合可以得到最小的粉斑直径，其值为1.92mm，此时粉束焦深为3.69mm。
　　其次，依据粉末喷送模型理论计算的结果，自行设计了粉末、保护气和冷却水三路集成一体的同轴喷粉装置，实现了在载气气流的驱动及粉末自身重力共同作用下粉末喷送。采用本设计的同轴喷粉装置开展了喷粉实验，通过实验图像数据的灰度处理、图像增强和特征提取等图像处理手段，获得了粉束图像的灰度概率分布。利用图像灰度值与粉末分布密度的正相关性，得出粉束截面粉末浓度分布曲线。实验测得的粉斑焦距、粉束焦斑直径和理论模拟结果的偏差小于10％，且粉束焦斑直径较已发表使用的喷粉装置减小67％，粉束汇聚性显著提高。
　　最后，本文开展了高强镀锌钢激光焊接锌烧损的工艺试验研究，得出影响锌烧损因素的主次顺序为:焊接速度、激光功率、辅助气体流量、离焦量。同时，发现同轴填粉焊接中填加铜粉可以抑制锌元素的烧损并改善焊缝表面的形貌。
　　粉束流特性研究结果将为满足激光填粉焊接过程中的粉末输送要求提供理论依据和实验基础。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

符号表

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 激光焊接技术概论

1．2．1 激光焊接技术的原理

1．2．2 激光焊接技术的应用现状

1．2．3 激光焊接技术的特点

1．3 镀锌钢板的激光焊接特性

1．4 填充材料的激光焊接

1．4．1 填丝焊接

1．4．2 填粉焊接

1．5 填粉研究现状

1．5．1 粉末输送研究现状

1．5．2 填粉焊接研究现状

1．6 主要研究内容及创新点

第2章 同轴喷粉的粉束流场数值模型

2．1 物理模型及假设

2．1．1 填粉焊接过程物理描述

2．1．2 粉末同轴喷送物理模型

2．1．3 粉末同轴喷送模型假设

2．2 数学模型

2．2．1 气体湍流模型

2．2．2 粉末颗粒模型

2．3 边界条件

2．3．1 湍流参数

2．3．2 速度入口边界条件

2．3．3 自由出口边界条件

2．3．4 壁面边界条件

2．4 基于Fluent软件的喷粉过程仿真

2．4．1 软件概述

2．4．2 数值模拟研究

2．4．3 材料属性

2．4．4 几何建模与求解

2．5 本章小结

第3章 同轴喷粉特征模拟分析

3．1 粉束流空间分布特性

3．1．1 粉束特性表征

3．1．2 特征提取

3．2 粉束流特征与工艺参数的关系

3．2．1 粉末焦距

3．2．2 最大粉末浓度

3．2．3 粉束焦斑直径

3．2．4 粉束焦深

3．3 本章小结

第4章 同轴喷粉装置的设计

4．1 同轴喷粉装置的设计

4．1．1 同轴喷粉的设计原理及思路

4．1．2 工作流程图及设计特点

4．1．3 喷粉头结构简图及实物图

4．2 同轴送粉实验

4．2．1 实验方案

4．2．2 图像数据处理

4．3 结果对比分析

4．3．1 粉束流形态比较

4．3．2 粉束流特征分析对比

4．3．3 粉末空间分布比较

4．4 本章小结

第5章 镀锌钢填粉焊接试验研究

5．1 实验材料

5．2 实验装置及设备

5．2．1 激光焊接设备

5．2．2 送粉装置

5．3 实验方案

5．3．1 实验方案总体描述

5．3．2 试验检测

5．4 实验结果及分析

5．4．1 焊接工艺参数对锌烧损的影响

5．4．2 填粉对焊缝形貌的影响

5．5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间发表的学术论文