铝合金激光深熔焊接气孔缺陷形成过程研究

摘要

铝及铝合金由于其密度低、比强度较高等特质，在汽车轻量化的趋势下被越来越多地应用到车身中。然而激光深熔焊接铝合金过程中小孔的不稳定性，会导致小孔型气孔的产生，从而对焊缝的综合力学性能造成较大的影响。研究发现，小孔的动态行为和熔池的流动对小孔型气孔的形成具有十分重要的作用。而通过改变焊接工艺可显著影响小孔和熔池的动态行为，进而有效改善气孔的形成情况，从而提高焊接构件的性能。　　本文以激光焊接铝合金为研究对象，采用试验与模拟相结合的方法，来探究激光深熔焊接铝合金过程中气孔的特征、焊接工艺对气孔形成的影响规律、焊接过程中小孔上方的金属蒸气羽烟形貌、小孔的动态变化过程、熔池的流动情况、气泡和气孔的产生，并提出合理控制小孔型气孔的方法。　　首先采用光纤激光对8mm厚A356铝合金和5182铝合金薄板进行焊接试验，表征了小孔型气孔和冶金型气孔的分布特征、宏观形貌，发现冶金型气孔内壁的铝硅共晶大小均匀、排列整齐，而小孔型气孔内部的铝硅共晶大小不一，排列没有规律。统计分析发现当激光功率变大或光斑直径缩小时，高速摄像拍摄到的金属蒸气羽烟变化非常剧烈，此时焊缝中气孔明显增多；在焊接速度为2.0 m/min，气孔得到了较好的改善，这是由于小孔稳定性与凝固界面移动速度竞争的结果；环境压力的降低导致焊缝中的小孔型气孔明显减少，同时环境压力的改变影响了材料的沸点和蒸发反作用力大小，使得焊缝的熔深加深，熔宽变窄，深宽比增大；当焊接搭接板时，两板之间的间隙量会影响小孔的稳定性导致气孔的产生，且间隙量越大、气孔率越高，但当间隙量大到0.4 mm时，会导致小孔不断坍塌，焊缝可靠性大大降低。　　其次，以Flow3D为平台，建立了激光深熔焊接铝合金的数学模型，模型引入热源模型、驱动力模型、凝固与相变模型和恒压气泡模型等并设置合理的初始与边界条件，成功模拟了焊接过程中熔池流场、小孔的动态变化过程以及小孔型气孔的产生过程。模拟结果表明，小孔型气孔有两种产生途径：一是小孔坍塌产生气泡，气泡被凝固界面捕获形成气孔；二是小孔直接与凝固界面连接并发生坍塌，被隔离部分留在焊缝中形成气孔。　　通过建模和试验研究可以发现，小孔型气孔的产生与小孔的动态稳定性密切相关，其形成过程也依赖于熔池中的流体流动情况，通过调节和改变焊接工艺能够有效影响小孔的稳定性和熔池内液体的流动，进而影响气孔的产生。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题背景

1.2激光焊接小孔型气孔产生机理研究

1.3激光深熔焊接的数值模拟研究

1.4气孔抑制措施的研究现状

1.5 Flow 3D软件简介

1.6本文研究的主要内容

第二章 激光深熔焊接铝合金试验研究

2.1试验材料与设备

2.2试验过程与方法

2.3试样处理方法

2.4气孔统计检测方法

2.5本章小结

第三章 激光深熔焊接铝合金的试验结果与分析

3.1激光焊接铝合金板样品形貌

3.2气孔的形貌与分布

3.3气泡成为气孔的条件

3.4激光深熔焊接A356铝合金小孔型气孔情况研究

3.5 A5182激光搭接焊气孔研究

3.6本章小结

第四章 激光深熔焊接铝合金数值模型

4.1铝合金激光搭接焊数值模型的建立

4.2数值模型求解过程

4.3本章小结

第五章 小孔型气孔形成机理研究

5.1网格划分与计算物理参数

5.2小孔动态行为研究

5.3气孔的形成过程研究

5.4试验验证

5.5间隙对小孔型气孔的影响

5.6本章小结

第六章 结束语

6.1主要工作与创新点

6.2后续工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文