铝合金T型接头双激光束双侧同步焊接稳定性研究

摘要

飞机蒙皮桁条T型结构双激光束双侧同步焊接是一种全新的焊接技术，相比于传统的铆接工艺，双激光束双侧同步焊接可以大大简化机身的制造工艺，避免对蒙皮完整性的破坏，并具有显著的减重效果和低制造成本，因而在民机制造业中具有极大的优越性和广阔的应用前景。然而，由于铝合金自身的特性及T型结构双激光束双侧同步焊接工艺的特殊性，目前国内对此种新工艺的匙孔稳定性、熔池流动行为以及焊接冶金机理等研究较为缺乏。为此，本文针对民用客机中拟采用的新型铝合金T型结构双激光束双侧同步焊接工艺，从以上三个方面开展研究。
　　首先，针对T型结构双激光束双侧同步焊接形成的特殊匙孔进行了受力分析。考察了金属蒸汽压力、表面张力附加压力、重力等各个力的计算方法和作用方向，建立了匙孔壁不同部位的力学模型。根据焊接工艺参数，可计算作用于匙孔壁的压力梯度，通过纳维-斯托克斯方程(Navier-StokesEquations)，成功计算出匙孔壁相对于工件的局部移动速度值。用该局部移动速度与激光束移动速度的对比分析，分析了匙孔的稳定性。
　　其次，应用流体动力学方程和多孔介质流方程，将相变潜热作为普通源项，焊接热源作为附加源项，建立了移动热源作用下薄板铝合金T型结构双激光束双侧同步焊接熔化和凝固过程的三维热过程数学模型。模拟了双激光束双侧同步焊接过程中的温度场、流场以及焊接熔池形状，考察了浮力、表面张力对焊接熔池流动的影响。研究结果表明，模拟所得的熔池形状与实验所得焊缝形状吻合良好，由表面张力导致的Marangoni剪切力是熔池中流体流动的主要驱动力，而且表面张力温度系数越大，焊接熔池中的热传导越快，熔池流动速度越大。
　　最后，基于某新型铝合金开展T型结构双激光束双侧同步焊接方法及相关基础理论的研究，通过金相和扫描分析了接头的宏观形貌、微观组织、成分分布、微区元素含量等。实验结果表明，在适当的焊接工艺参数下，可得到成型美观，无明显缺陷的焊缝。通过组织表征实验发现，从熔合线到焊缝中心的凝固组织依次为：柱状的平面晶、胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶及等轴晶。焊缝熔合区分为上熔合区和下熔合区，上下熔合区组织和性能不同。通过线扫描分析发现焊缝中Cu、Mg、Si元素的烧损并不明显，其中Si元素的偏析现象较为严重。在典型铝合金T型接头中存在有两种不同的气孔：冶金气孔和工艺气孔，本文具体分析了两种气孔的产生机理及避免措施。
　　通过对双激光束双侧同步焊接匙孔稳定性、熔池流动行为以及焊接冶金机理研究，为机身壁板构件连续稳定焊接奠定理论基础。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

图表清单

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1课题背景及选题意义

1.2铝合金激光焊接在航空制造业中的应用

1.3铝合金T型接头激光焊接稳定性研究现状

1.4薄板铝合金T型接头双激光束双侧同步焊接存在的问题

1.5本文的主要研究内容

第二章 双激光束双侧同步焊接匙孔稳定性研究

2.1引言

2.2匙孔壁面受力平衡方程的表达

2.3匙孔壁表面受力平衡分析

2.4双侧双光束同步激光焊接的稳定性

2.5本章小结

第三章 双激光束双侧同步焊接数学模型的建立

3.1引言

3.2融化与凝固过程相变统一模型

3.3铝合金T型接头双激光束双侧同步激光焊接模型

3.4本章小结

第四章 双激光束双侧同步焊接熔池流动行为研究

4.1引言

4.2非稳态温度场计算结果

4.3稳态结果数据分析方法

4.4稳态温度场计算结果

4.5稳态流场计算结果

4.6焊缝及熔池几何形状

4.7本章小结

第五章 双激光束双侧同步焊接冶金机理研究

5.1铝合金激光焊接冶金原理

5.2铝合金T型构件激光焊接接头成型

5.3薄板铝合金激光焊组织

5.4铝合金激光焊气孔敏感性

5.5小结

第六章 结论

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

在学期间主要参加的科研项目

在学期间的研究成果及发表的学术论文