铝合金深窄坡口激光-MIG复合焊熔池流动及接头组织性能研究

摘要

近年来，6005A铝合金由于具有轻量、耐腐蚀、优秀的焊接性能，其中空挤压型材被广泛应用于制造高速列车车身。传统MIG焊在焊接铝合金中厚板时，会出现焊接效率低、变形严重，焊后接头力学性能降低等问题，采用激光-MIG复合焊接铝合金中厚板可以很大程度避免上述问题。然而，铝合金激光-MIG复合焊接成形不稳定的问题依然严重，厚板无法一次焊接成形，必须开坡口焊接，由于坡口深且窄，焊接过程中会出现侧壁燃弧现象，熔池沿坡口流动，深熔焊过程不稳定，最终熔深与理想状态有出入。　　本文针对此问题，借助有限元软件分析激光-MIG复合焊匙孔稳定时的熔池温度场、流场分布特点。结果表明匙孔前沿熔池温度梯度大，匙孔后方温度梯度小，靠近侧壁的熔池流动速度最大。匙孔前沿形成较大的漩涡流，流体流向熔池壁且方向与重力方向垂直，遇到熔池壁阻碍形成回流，回流流体的流向在重力的分力作用下与重力方向基本相同。在一定范围内，最大流速随着焊接位置角度的增加表现出先增加后减小的趋势，匙孔闭合高度增加，匙孔下侧越容易闭合。然后借助高速摄像工具分别研究Y型坡口、有小平台的Y型坡口和有小平台且焊接位置20°的Y型坡口的电弧和熔池表面流动特性。后者熔池受重力影响，熔池未沿坡口向前流动，实际焊接平面等于预设焊接平面，电弧在激光的作用下较稳定。　　通过单因素试验，分析了各工艺参数对打底焊接头成形的影响。参考单因素试验获得较为优质的焊接参数区间，通过响应面法确定多因素对焊缝成形的影响模型。回归分析确定模型可靠性，最后，通过以上分析，最佳工艺参数为：激光功率P=6.5kW，焊接速度v=18.5mm/s，焊接位置45°，激光入射角25°。　　通过激光-MIG复合焊接完成20mm厚的深窄坡口铝合金对接接头，焊缝截面只有填充焊缝有少量气孔，盖面焊缝存在微小气孔，不存在未熔合等明显缺陷，不同层焊缝受热输入的影响，晶粒从底部到顶部逐渐变大，焊接接头的拉伸强度为206MPa，达到母材强度的70.5%。拉伸试样在焊接位置均发生塑性断裂。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 深窄坡口焊接工艺及研究现状

1.2.1 窄间隙厚板焊接研究现状

1.2.2 激光-电弧复合焊接厚板工艺及研究现状

1.3 窄间隙熔池流动研究现状

1.4 研究目的和本文主要内容

第2章试验方法及有限元仿真基础

2.1 试验材料

2.2 试验设备与方法

2.3 微观组织观察

2.4力学性能测试

2.4.1 显微硬度测试

2.4.2 拉伸性能测试

2.5 COMSOL Multiphysics 介绍

第3章铝合金深窄坡口激光-MIG 复合焊熔池流动特性

3.1熔池温度场与流动模型建立

3.1.1 基本模型

3.1.2 数值模型假设

3.1.3 建立控制方程

3.1.4 边界条件

3.1.5 网格及求解器设置

3.1.6 材料参数设置

3.2 深窄坡口激光-MIG复合焊温度场流场分布特征

3.3 不同焊接位置对温度场流场的影响

3.3.1 焊接位置对熔池温度场分布的影响

3.3.2 焊接位置对熔池流场流动的影响

3.4 不同焊接速度对温度场流场的影响

3.4.1 焊接速度对熔池温度场分布的影响

3.4.2 焊接速度对熔池流场流动的影响

3.5 高速摄像分析深窄坡口电弧和熔池特性

3.5.1 Y 型坡口

3.5.2 有小平台的 Y型坡口

3.5.3 有小平台且焊接位置 20°的 Y 型坡口

3.6 本章小结

第4章中厚板铝合金深窄坡口激光-MIG 复合打底焊接成形控制

4.1 打底焊实验设计

4.2 不同焊接参数对打底焊成形的影响

4.2.1 坡口角度对打底焊成形及组织的影响

4.2.2 焊接位置对打底焊接头成形的影响

4.2.3 焊接速度对打底焊成形的影响

4.2.4 激光入射角对打底焊成形的影响

4.2.5 激光功率对打底焊成形的影响

4.3 打底焊各参数对熔深的影响显著性对比

4.4 基于响应面法（RSM）的打底焊工艺优化

4.5 本章小结

第5章 20mm 铝合金深窄坡口激光-MIG 复合焊工艺及组织性能

5.1深窄坡口填充和盖面激光-MIG复合焊接工艺

5.2 焊接接头微观组织

5.3 焊接接头力学性能分析

5.3.1 焊接接头不同区域显微硬度分析

5.3.2 接头拉伸性能分析

5.4 多层焊接缺陷分析

5.4.1 气孔缺陷分析

5.4.2 未熔合缺陷分析

5.5 本章小结

结 论

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间学术成果