铝合金薄板激光拼焊工艺及其成形性能研究

摘要

节能减排是世界经济发展过程中的重要目标，其中在交通运输业，作为顺应汽车工业发展潮流的拼焊技术，以其节约材料、减轻车重、降低成本、提高安全性等优点成为一种先进的制造技术。因此，研究高性能的汽车用轻量化材料拼焊板工艺及其成形性能对提高我国汽车行业在国际中的竞争力具有举足轻重的作用，与此同时还将产生一定的经济效益和社会效益。鉴于此，本文针对汽车轻量化材料6061铝合金进行焊接性分析，制定合理的焊接工艺，在实施焊接过程中优化焊接工艺以及焊接参数，实现薄板的拼焊成形，进一步针对6061铝合金拼焊板的成形性能进行研究。
　　 首先针对1mm厚6061铝合金薄板采用钨极氩弧焊(TIG)和激光焊(LBW)两种工艺实现焊接成形，并对两种拼焊工艺所得拼焊板焊接接头的金相组织、显微硬度进行测试。结果显示：6061铝合金TIG拼焊板焊缝组织为细小的等轴晶和树枝状晶，在熔合线附近，存在向焊缝中心方向生长的柱状晶，晶界间有黑色相析出。激光拼焊板焊缝中心为大量细小的等轴晶；热影响区不明显，在熔合线附近存在少量沿散热方向生长的柱状晶和胞状树枝晶。6061铝合金TIG拼焊板整个接头的硬度值均低于母材，在焊缝中心最低，远离焊缝中心硬度随之增加，在热影响软化区再次降低，之后硬度逐渐增加直至达到母材硬度。激光拼焊板接头硬度总体与母材相当，只在熔合区稍有降低，过渡到母材的过程中，硬度值随之逐渐增大至母材硬度。
　　 通过对两组焊接接头试验结果的对比与分析，选择激光拼焊板进行更进一步的测试试验，包括单向拉伸测试、断口扫描测试、杯突测试以及利用DYNAFORM软件对杯突成形过程进行数值模拟。
　　 铝合金激光拼焊板拉伸试验结果表明：试样断裂位置大部分出现在偏移焊缝中心的狭窄热影响区，抗拉强度、屈服强度比母材较高，而应变硬化指数n值和伸长率δf值降低。说明焊缝对拼焊板整体的塑性变形产生影响，使拼焊板的成形性能略低于母材。
　　 铝合金激光拼焊板拉伸断口表面均匀分布有大量等轴韧窝，尺寸较小并且基本上大小均匀，表现出一定的塑性断裂特征。与母材相比，韧窝深度比较浅，表明试样未发生明显的塑性流动，说明其塑性低于母材。
　　 铝合金激光拼焊板杯突成形性能试验结果显示：宏观开裂发生在稍偏移焊缝中心的狭窄热影响区内，该区域受热循环影响，晶粒比母材粗大，塑性和韧性下降，变形性较差；拼焊板试验杯突值低于母材杯突值，说明拼焊板的胀形性低于母材；FLD曲线分析结果显示，6061铝合金激光拼焊成形极限处于理论极限安全区。
　　 使用DYNAFORM软件数值模拟过程中，忽略焊缝类型，仅考虑焊缝在板材上的位置，结果显示：铝合金母材杯突模拟开裂容易发生在杯突顶端下沿；厚度变化均匀，没有发生突变；模拟试验结果与实际杯突试验结果基本一致。受焊缝影响，拼焊板杯突模拟开裂容易发生在杯突顶端下沿的焊缝处，模拟结果与实际试验结果略有差异，这可能与焊缝设置有关；焊缝比较窄，故厚度变化相对比较均匀；拼焊板杯突模拟值低于母材，这与实际杯突试验结果基本一致，说明拼焊板的胀形性能较母材差。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 铝及铝合金材料的发展与应用

1.1.1 铝及铝合金材料的特点

1.1.2 铝及铝合金材料的应用与发展现状

1.1.3 铝合金材料在汽车行业中的发展前景

1.2 拼焊板应用发展研究

1.3 铝合金拼焊板研究现状

1.3.1 铝合金拼焊板材料应用研究

1.3.2 铝合金拼焊板焊接工艺研究

1.3.3 铝合金拼焊板成形性能研究

1.4 本课题研究目的和意义

1.5 本课题主要研究内容

第二章 试验材料焊接性分析及焊接工艺选择

2.1 试验选材

2.2 材料焊接性分析

2.3 焊接方法的选择

2.3.1 TIG焊

2.3.2 激光焊

2.46061铝合金焊接工艺参数选择

2.4.1 激光焊接设备

2.4.2 试验过程设计

2.4.3 试验参数

2.56061铝合金拼焊成形实验结果

2.5.1 TIG拼焊

2.5.2 激光拼焊

第三章 铝合金拼焊板焊接接头微观组织与硬度测试

3.1 铝合金拼焊板焊接接头微观组织测试与分析

3.1.1 金相组织测试试样制备

3.1.2 金相组织测试结果分析

3.2 拼焊板焊接接头显微硬度测试

3.2.1 试验设备与方法

3.2.2 显微硬度测试结果及分析

3.3 本章小结

第四章 铝合金激光拼焊板单向拉伸试验

4.1 引言

4.2 拼焊板单向拉伸试验

4.2.1 拉伸试验设备

4.2.2 拉伸试样与试验过程设计

4.2.3 拉伸测试结果与分析

4.3 试件断口形貌扫描测试与分析

4.3.1 扫描试验设备

4.3.2 测试结果及分析

4.4 本章小结

第五章 铝合金激光拼焊板杯突试验

5.1 引言

5.2 铝合金拼焊板杯突试验设计

5.2.1 杯突试验设备及原理

5.2.2 杯突试件及试验过程设计

5.3 杯突试验结果与分析

5.3.1 杯突试验结果

5.3.2 试验结果分析

5.4 FLD曲线分析

5.5 本章小结

第六章 6061铝合金拼焊板的有限元模拟

6.1 引言

6.2 DYNAFORM冲压成形模拟软件

6.2.1 DYNAFORM软件简介

6.2.2 DYNAFORM软件特点

6.3 PRO/E软件建模

6.4 DYNAFORM杯突试验数值模拟

6.4.1 母材杯突试样模拟

6.4.2 拼焊板杯突试验模拟

6.5 成形模拟结果与分析

6.6 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 试验结论

7.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢