镁合金低功率激光-氩弧复合焊接技术的研究

摘要

镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、电磁屏蔽和抗辐射性能好以及易回收等一系列优点，被称为二十一世纪的绿色工程材料，在航天航空、汽车、电子等领域具有巨大的应用潜力。我国作为镁资源大国，镁合金的产业化应用已成为国家科技战略发展目标之一。在镁合金的产业化应用过程中，连接技术始终是关键。因此开发优质、高效、节能、降耗的镁合金先进连接技术已成为国内外研究的热点。镁合金低功率激光-电弧复合热源焊接技术的研究便是在这种背景下产生的。 1.提出镁合金低功率激光-氩弧复合热源焊接工艺，采用500W掺钕钇铝石榴石(Nd：YAG)固体脉冲激光器与钨极交流电弧(以下简称TIG)相复合，建立复合热源焊接系统。以 AZ31B、 AZ61、 AZ91D 镁合金为主要研究对象，进行镁合金低功率复合热源焊接工艺研究，系统分析焊接参数对镁合金焊缝成形以及激光与电弧复合增强效果的影响。试验结果表明，采用低功率激光-氩弧复合热源焊接技术能够实现 AZ31B、AZ61、AZ91D 镁合金良好连接，焊接接头表面成形连续致密，没有飞溅、裂纹、气孔等表面缺陷。在优化的工艺条件下，低功率激光-电弧复合热源焊接接头熔深可达 TIG焊接接头熔深的2倍，激光单独焊接的4倍以上；焊接速度可达TIG焊接速度的3～5倍，能够实现镁合金的高效、低成本连接。通过分析激光与电弧相互作用形态发现，在低功率复合热源焊接过程中，激光脉冲与焊接电弧之间存在三种作用方式，即激光脉冲分别作用于交流电弧正半波、负半波及交流电弧过零点处。根据此现象提出镁合金低功率激光与交流电弧相互作用模型。根据工艺试验结果以及激光与电弧相互作用特点，首次提出镁合金低功率激光诱导交流电弧负半波放电理论。 2.利用现代化分析检测手段分析同种和异种镁合金复合热源焊接接头的微观组织和力学性能。镁合金焊接接头微观组织观察发现，由于复合热源焊接工艺具有焊接速度快，热输入小等特点，镁合金具有高的热传导率，因此镁合金复合焊接接头呈典型的铸态激冷组织，焊缝由细小等轴晶组成。AZ31B焊接接头无明显的热影响区存在，而AZ61、AZ91D焊接接头发现存在较宽热影响区。这是因为在Al含量较高的镁合金焊接接头中存在大量低熔点的β(Mg<,17>Al<,12>)相，根据p(Mg<,17>Al<,12>)相析出的数量和形态，本文将AZ91D镁合金焊接接头热影响区分为三部分，即晶界浮凸区(Ⅰ)、粒状β相析出区(Ⅱ)、带状β相形成区(Ⅲ)。镁合金复合焊接接头具有优良的综合力学性能，以AZ31B为例，镁合金AZ31B复合焊接接头的拉伸强度可达到母材的95％～100％，疲劳强度与母材的疲劳强度相当。AZ31B与AZ61和AZ91D异种镁合金复合热源焊接接头的微观组织均匀，由细小等轴晶粒组成，焊接接头的拉伸强度略高于AZ31B镁合金母材。 3．镁合金高速焊接过程中容易产生气孔，气孔的存在不仅削弱焊缝的有效工件截面，同时也会带来应力集中，对焊接接头性能产生重要影响。复合热源焊接过程中，焊接熔池存在空气侵入区以及激光束将空气及保护气体卷入到焊缝熔池的底部，从而形成宏观气孔。根据复合热源焊接特点以及镁合金自身的特性，本文构建了镁合金复合热源焊接气孔形成过程模型。依据气孔产生原因，设计了两种激光束气体保护方式，即同轴气体保护和侧向气体保护方式。通过分析两种气体保护方式对电弧形态、焊缝气孔数量的影响，提出镁合金复合焊接激光束侧向气体保护方法，该方法能显著降低镁合金焊接接头气孔含量。 4．利用数值模拟和红外测温相结合的方法，开展镁合金复合热源焊接温度场研究。即利用红外测温方法所获得的弧光干扰区外的准确温度场信息校正数值模拟计算参数、材料物性参数，获得完整的镁合金复合焊接温度场。通过对比焊接热循环曲线、熔池形状，验证了该种方法的可行性与准确性。

目录

文摘

英文文摘

声明

引 言

1绪论

1.1镁及镁合金焊接技术的研究现状

1.1.1镁及镁合金焊接性

1.1.2钨极氩弧焊(TIG)

1.1.3镁合金熔化极惰性气体保护焊(MIG)

1.1.4镁合金激光焊

1.1.5镁合金搅拌摩擦焊

1.2激光-电弧复合热源焊接技术的研究现状

1.2.1激光-电弧复合热源焊接技术的提出

1.2.2激光-电弧复合方式

1.2.3激光-电弧复合机理的研究现状

1.2.4激光-电弧复合热源焊接的应用研究

1.3高速摄像系统在焊接上的应用

1.4本课题的主要研究内容

2镁合金低功率激光-氩弧复合热源焊接系统的建立

2.1镁合金低功率复合热源焊接技术的提出

2.2复合热源焊接系统的建立

2.2.1高频干扰及其影响

2.2.2焊接接头气体保护装置设计

2.2.3复合热源焊枪的设计

2.3复合热源焊接控制系统的设计

2.3.1系统硬件结构

2.3.2系统软件设计

2.4镁合金低功率激光-氩弧复合热源焊接系统

2.5本章小结

3镁合金低功率激光-氩弧复合热源焊接性研究

3.1试验方法和试验材料

3.1.1试验材料

3.1.2试验方法

3.2镁合金低功率复合热源焊接工艺研究

3.2.1镁合金激光-氩弧复合热源焊接成形特点

3.2.2焊接参数对焊接接头成形的影响

3.3镁合金复合焊接气孔的产生和防止

3.3.1试验准备

3.3.2试验结果及分析

3.3.3气孔的消除

3.4镁合金复合热源焊接接头力学性能

3.4.1焊接接头拉伸性能

3.4.2焊接接头疲劳性能

3.4.3硬度

3.5焊接接头的微观组织分析

3.5.1金相试样制备

3.5.2镁合金复合焊接接头微观组织特征

3.5.3镁合金复合热源焊接接头的元素分布

3.6本章小结

4镁合金低功率激光-氩弧复合热源焊接机理研究

4.1镁合金低功率复合热源焊接过程中激光与电弧的相互作用研究

4.1.1试验方法

4.1.2高速摄像采集结果与分析

4.2镁合金低功率激光-氩弧复合热源焊接熔深增加机制研究

4.2.1激光诱导交流电弧负半波放电

4.2.2能量流动

4.2.3熔池流动

4.3本章小结

5镁合金低功率激光-氩弧复合热源焊接温度场的红外测量和数值模拟

5.1镁合金复合热源焊接温度场的红外测量

5.1.1红外测温原理

5.1.2试验条件及设备

5.2镁合金AZ31B复合热源焊接温度场的数值模拟分析

5.2.1低功率复合焊接热源模型的建立

5.2.2镁合金复合热源焊接温度场的数值模拟

5.3镁合金AZ31B复合热源焊接整体温度场的获得

5.4镁合金复合热源焊接温度场结果校正

5.5本章小结

结论

创新点摘要

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文及主要成果

致 谢