镀锌钢激光填粉焊接的粉末输送及工艺研究

摘要

随着激光技术的高速发展和车身的轻量化趋势，能有效地降低车身重量的激光对接焊接将替代传统的搭接焊。然而，激光对接焊接对工件的装配精度要求高。为了保证焊接性能的同时，降低激光焊接对装配精度的要求，一些焊接衍生技术也因此而产生。激光填粉焊接是一种高柔性化焊接加工技术，能有效降低激光焊接装配精度。因此，本文利用自行开发的侧向送粉装置进行了镀锌钢的激光填粉焊接粉末输送及工艺研究。
　　 本文首先基于粉末分布密度与图像灰度的相关性，开展了粉末输送有效性的研究。通过测量粉束截面的灰度分布得到了焊接平面的粉末分布密度。同时，研究了粉末落点位置对有效送粉面积的影响。根据粉末分布密度和有效送粉面积与粉末有效输送率的相互关系，建立了粉末落点与粉末有效输送率之间的函数关系。当送粉喷嘴以45°侧向送粉时，获得最佳粉末有效输送率的粉末落点位置为-1.75mm。当粉末落点过于靠近激光束时易于导致粉末烧损，远离激光束则会降低粉末有效输送率，两者均不利于金属粉末有效熔入熔池。粉末的最佳落点为-4mm，此时，焊缝中心铜含量最高。最后，研究了送粉速度对焊缝材料增量的影响。随着送粉速度降低，焊缝中心铜含量线性减小。送粉速度低于1.15g/min时，粉末将无法有效添加入焊缝。
　　 本文也进行了高强镀锌钢激光填粉焊接的工艺试验研究，优化了激光功率、焊接速度、离焦量等焊接工艺参数。当激光填粉焊接速度过低时，焊缝易于产生熔质堆积和焊接孔洞，而离焦量的增加则有利于粉末的添加。对比试验结果得出高强镀锌钢激光填粉焊接的最佳工艺参数为:激光功率1500W，焊接速度30mm/s，离焦量12mm。最后，本文研究了填充粉末对焊缝接头性能的影响。试验结果表明:填充粉末能明显提高焊缝表面质量，降低焊缝塌陷，细化热影响区晶粒，提高焊缝组织性能，提高装配间隙裕度，降低工件对激光焊接装配精度的要求。在装配间隙为0.25mm(母材厚度的31％)时，添加粉末后的焊接接头强度超过了母材强度。
　　 粉末输送有效性的研究结果将为提高激光填粉焊接过程中的粉末利用率提供理论依据，优化后的工艺参数能为实际生产提供参数设计依据。送粉速度的最小值能作为激光填粉焊接送粉装置粉末输送精度的设计依据。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

符号表

第1章 绪论

1．1 镀锌钢板的性能及应用

1．2 激光焊接技术概述

1．2．1 激光焊接技术的应用

1．2．2 激光焊接技术的原理

1．2．3 激光焊接技术的特点

1．2．4 激光填料焊接技术

1．3 粉末添加对激光焊接的影响

1．3．1 激光填粉焊接的发展现状

1．3．2 送粉方式的对比

1．3．3 粉末材料对焊接性能的影响

1．4 课题的主要研究内容

第2章 激光填粉焊接试验方案

2．1 试验方案总体描述

2．2 激光焊接设备

2．3 送粉设备

2．3．1 送粉器

2．3．2 送粉喷嘴及配套夹具

2．4 焊接试验材料

2．5 试验检测

2．6 试验过程

2．7 本章小结

第3章 粉末输送分析

3．1 送粉喷嘴测试

3．2 粉末有效输送分析

3．2．1 粉末分布密度

3．2．2 粉末有效输送

3．3 增量分析

3．3．1 粉末理论增量

3．3．2 粉末落点对焊缝材料增量的影响

3．3．3 送粉速度对焊缝材料增量的影响

3．4 本章小结

第4章 焊接工艺性及接头性能

4．1 装配间隙裕度

4．2 工艺参数对拉伸性能的影响

4．2．1 激光功率对焊缝拉伸性能及熔宽影响

4．2．2 焊接速度对焊缝拉伸性能及熔宽影响

4．2．3 离焦量对焊缝拉伸性能及熔宽影响

4．2．4 送粉速度对焊缝拉伸性能影响

4．3 焊缝接头分析

4．3．1 焊接速度对焊缝形貌的影响

4．3．2 离焦量对焊缝形貌的影响

4．3．3 送粉速度对焊缝形貌的影响

4．4 显微组织分析

4．4．1 焊接速度对金相组织的影响

4．4．2 离焦量对金相组织的影响

4．4．3 送粉速度对金相组织的影响

4．5 硬度分析

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间发表的学术论文和专利