镀锌钢/冷轧钢异种板材激光焊接工艺试验研究

摘要

随着全球环境的恶化和能源危机的不断加剧，“轻量化”和“安全性”作为汽车产业的重要问题已受到人们的重视，节能减排成为新一代汽车设计和制造面临的重要问题。激光拼焊作为一种新技术，在汽车车身成型中得到广泛应用，通过这种技术可以把不同材质、厚度、强度、表面状况的板材拼焊在一起，从而既可以设计出强度合理，数量尽可能少的车身件，又可以达到减轻车身重量，降低生产成本的目的。
　　本文开展了镀锌钢/冷轧钢异激光焊接种板材工艺试验研究。首先，对镀锌钢/冷轧钢异种板材在激光移动热源作用下的三维瞬态温度场进行了有限元分析，模拟了激光功率与上临界焊接速度的关系以及激光功率、焊接速度等工艺参数对焊缝尺寸的影响，为试验工艺参数的选择提供参考；其次，利用光纤激光器及其配备的机器人对镀锌钢/冷轧钢异种板材进行焊接试验；最后，对激光焊接试件接头进行了显微组织、力学性能及硬度分布等检测和分析。获得如下研究成果：
　　(1)建立激光焊接热传导模型，利用ANSYS有限元软件对激光焊接温度场进行移动热源条件下三维瞬态有限元分析，模拟了激光功率、焊接速度等工艺参数对工件表面及内部温度场的影响。发现工件表面温度场基本呈椭圆形分布，工件内部温度场基本呈抛物线分布，当光斑中心位于两板对接中心上，温度场分布不均匀，向镀锌钢一侧偏移。通过研究深熔焊临界状态，得到了激光焊接镀锌钢/冷轧钢异种板材的激光功率与上临界焊接速度的关系以及激光功率、焊接速度等工艺参数对焊缝尺寸的影响规律。
　　(2)结合理论分析，采用正交试验法对镀锌钢/冷轧钢异种板材进行了焊接试验，通过检测焊缝表面质量，对工艺参数进一步调整，得到本试验条件下较合理的工艺参数，在此工艺参数下，焊接接头的抗拉强度、屈服强度等综合力学性能较好。
　　(3)检测焊缝表面，发现激光光斑处于两板对接中心时，焊缝向镀锌钢一侧偏移，因此，在进行同等厚度镀锌钢/冷轧钢异种板材激光焊接时，激光光斑中心宜向冷轧钢一侧偏移，以克服因其物理性质差异所导致的焊缝与拼接中心间的偏离，保证焊接接头强度和性能。通过检测试样的显微组织，发现焊缝没有出现气孔、裂纹等缺陷，硬度测试表明，接头硬度高于母材，没有热影响区软化现象。拉伸试验结果试样断于冷轧钢板一侧，焊接接头的强度与母材冷轧钢板相当。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 前言

1.2 激光焊接的原理及特点

1.2.1 激光焊接的原理

1.2.2 激光焊接的特点

1.3 激光拼焊的应用及意义

1.4 国内外激光拼焊研究现状

1.5 本课题研究的内容及目标

第2章 激光焊接温度场的模拟

2.1 热传导问题的描述

2.2 焊接温度场有限元计算模型

2.2.1 有限元模型的建立及网格划分

2.2.2 激光焊接热源模型的选取

2.2.3 材料物理性能参数的确定

2.2.4 初始条件和边界条件的处理

2.2.5 相变潜热的处理

2.2.6 加载与求解

2.3 模拟结果及分析

2.3.1 激光拼接温度场的特点

2.3.2 焊接工艺参数对温度场的影响

2.3.3 临界工艺参数的模拟

2.4 本章小结

第3章 试验条件与方法

3.1 焊接试验准备

3.1.1 试验材料

3.1.2 焊接夹具

3.2 试验设备

3.2.1 光纤激光器

3.2.2 机器人

3.2.3 激光焊接头

3.2.4 焊接试验装置

3.3 试验方案

3.3.1 激光工艺参数范围的确定

3.3.2 正交试验法

3.3.3 焊接方法与步骤

3.4 本章小结

第4章 激光焊接镀锌钢/冷轧钢试验结果分析

4.1 焊接接头成形质量分析

4.2 工艺参数对焊缝尺寸的影响

4.2.1 激光功率对焊缝尺寸的影响

4.2.2 焊接速度对焊缝尺寸的影响

4.2.3 离焦量对焊缝尺寸的影响

4.3 焊接接头力学性能分析

4.3 焊接接头组织分析

4.3.1 焊缝形貌

4.3.2 显微组织分析

4.4 焊接接头显微硬度测试

4.5 本章小结

总结与展望

参考文献

附录A：攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢