铝合金激光焊及激光-GMAW复合焊气孔形成机理与抑制方法研究

发布时间：2020-06-21 12:45

【摘要】：铝合金具有良好的焊接性,低温韧性和优异的耐腐蚀性,广泛应用于船舶建造,液化天然气(LNG)储罐和高压容器等许多行业。但是在铝合金激光焊过程中,铝合金的表面张力小和导热快,易产生匙孔型气孔。匙孔型气孔和匙孔的稳定性密切相关,匙孔型气孔的产生会大大削弱焊缝的整体力学性能。匙孔的动态行为和熔池的流动对匙孔型气孔的形成有重要影响,但是一些有用的信息很难完全依靠实验获得,如气孔形成与合并密切相关的温度场和流场等。本文综合采用实验研究与数值模拟相结合的方法,探究激光焊过程中气孔的机理,并为提出抑制匙孔型气孔的有效工艺措施提供理论依据。通过对焊接工艺的探索,成功获得焊缝成形良好、表面光滑整洁、气孔少和强度高的10 mm厚铝合金的激光-GMAW复合焊接头,最终,采用双面激光-GMAW复合焊成功实现30 mm厚铝合金的2道次焊接。本文首先建立了激光菲涅耳吸收和多重反射的三维数值模型,基于自由表面追踪法(Volume of Fluid,VOF),实现了气孔形成过程的3D动态数值模拟。借助高速摄影拍摄观察,研究分析了铝合金激光焊匙孔及熔池的动态行为,揭示了匙孔坍塌和气孔产生的机理。发现在铝合金激光焊中,匙孔后壁的熔融金属流动更剧烈,深宽比较大会使匙孔更加不稳定,匙孔后壁处形成凸起与匙孔的前壁接触,导致匙孔坍塌形成气泡。匙孔不稳定性产生的气泡和由凝固界面捕捉的气泡是影响铝合金激光焊匙孔型气孔形成的主要因素。同时,铝合金和钢激光焊间气孔形成的差异性也被阐明,即在铝合金激光焊中,凝固速率更大和逃逸路径更长使气泡容易被凝固界面捕捉,并且更容易发生气泡合并,所以易形成更多数量和更大尺寸的气孔。其次,本文提出抑制匙孔型气孔产生的两个举措,即提高匙孔的稳定性和气泡必须在其逃逸或溶解到熔池之前不被凝固界面捕捉。基于三维数值模拟和实验研究,获得了预热、焊接速度和穿透焊对铝合金激光焊气孔影响规律。结果表明预热温度为100℃时,匙孔坍塌频率(46 Hz)小于未预热下的匙孔坍塌频率(70 Hz),且气泡不易被凝固界面捕捉形成气孔;随焊接速度增大,匙孔的稳定性提高,气泡易从熔池中逃逸;激光穿透焊时,匙孔的后部存在两种流动模式,虽坍塌频率提高,但坍塌之后不易形成气泡及气孔。基于高速摄影观察匙孔和熔池,实验研究了保护气体氮气、氩气及气流量和喷嘴位置对气孔敏感性的影响。结果表明:Ar和N_2分别作为保护气体,从实验观察统计看,匙孔坍塌频率差异不大,但X射线探伤结果N_2作为保护气的焊缝气孔小于Ar作为保护气的焊缝气孔,气孔较少的原因是氮在铝中的溶解度值约为2.72 wt%-3.58 wt%,并且进入焊缝金属中的氮含量为3.5×10~-33 wt%,N_2气泡能够在短时间内迅速分解并溶解到液态5083铝合金熔池中;随着保护气流量增大到20 L/min,气孔的数量明显减少,气孔敏感性减少主要是因为熔池的波动减缓、飞溅减少和坍塌频率降低,但是在20 L/min和30 L/min气流量下,气孔的数量基本不变;喷嘴后置可以稳定匙孔,从而显著减少气孔数量。针对在铝合金激光焊中,低沸点元素镁具有蒸发问题,借助透明玻璃和高速摄影,实验研究了1050、6061、2A12、5754、5083和5A06铝合金激光焊匙孔和熔池的动态行为差异性。基于实验研究和数值模拟,揭示了焊缝中镁元素含量与气孔敏感性之间的关系,分析了各种铝合金激光焊中气孔数量和分布趋势的原因。结果表明:随着镁元素含量增加,匙孔深度增加,需要更长的时间才能达到准稳态。此外,匙孔更加稳定,形成的匙孔型气孔较少。基于作用在匙孔壁上的受力分析可知,高蒸发反作用力有助于提高匙孔的稳定性,从而降低气孔的敏感性。当铝合金激光焊具有较高的镁元素含量时,由于匙孔容易在中部和底部区域坍塌,所以在焊缝的中部和底部气孔分布更集中。最后,研究了激光-GMAW复合焊对气孔的影响规律,分析对比了激光引导电弧复合焊(Laser Arc Hybrid Welding,LAHW)和电弧引导激光复合焊(Arc Laser Hybrid Welding,ALHW)对气孔、焊缝组织的影响,得到了10 mm和30 mm厚板铝合金的激光-GMAW复合焊的优质接头。研究结果表明:激光-GMAW复合焊增加了匙孔稳定性、气泡不易产生和产生后的气泡易逃逸,所以焊接接头气孔的敏感性降低了;与ALHW相比,LAHW降低气孔敏感性的三个因素是熔池中的卷入空气更少、匙孔的稳定性更好和气泡更容易从熔池中逸出。ALHW和LAHW焊缝组织由熔合线附近的柱状晶和焊缝中心的等轴晶组成,LAHW焊缝组织晶粒尺寸较大,但接头的强度较高,这是由于气孔较少、Mg的烧损较少和均匀分布的第二相颗粒更多。采用2道次LAHW方法焊接30 mm厚铝合金,接头强度达到263 MPa,达到母材的88.0%。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG457.14
【图文】：

第一章 绪论.1 课题背景近年来，由于能源缺口的增加，天然气资源已迅速成为石油能源的替代角色是世界天然气资源在分布上是极不平衡的，管道天然气的进口通常难以实现成了过强的单向依赖性，液化天然气(LNG)进口则需要海上的长途运输。对 LN断增长的需求也推动了蓬勃发展的 LNG 运输船制造业，图 1-1 是 Moss 型 LN。2017 年 6 月，沪东中华造船厂接到日本 4 艘价值 52 亿元人民币的 LNG 运订单，更加有力地证明了这一点。随着汽车、造船和航空航天等重工业的快展，也要求越来越高的焊接技术，即提高焊接的效率和保证好的焊接质量。技术发展的关键问题之一是如何同时提高焊接效率和保证焊接质量，所以高和高质量的焊接技术的发展刻不容缓，这使科研人员肩负着的重大使命[1,2]。

第一章 绪论界面捕捉而形成气孔，这样的气孔通常是球形状且尺寸很小[33,34]。匙孔型气孔的形成机理与冶金型气孔的机理完全不同，由于激光焊匙孔是不稳定的，匙孔的根部容易形成气泡，这一类气孔有许多不规则的形状和较大的尺寸，内壁一般也较粗糙[35]。激光焊大量应用于焊接铝合金和钢等材料，但焊接过程中可能会出现匙孔型气孔。由于大多数工艺型气孔的特征是不规则的形状和较大的尺寸， 容易产生大的应力集中，并且在不规则气孔的尖端处倾向于萌生裂纹，这将大大削弱接头强度[36-38]。(a)

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 华学明;蔡艳;吴毅雄;王欢;石少坚;唐永生;;大型LNG船围护系统低温金属材料焊接技术现状及发展[J];电焊机;2015年05期

2 林贤军;汪认;苟国庆;;坡口型式对5083铝合金激光-MIG复合焊接头组织性能的影响[J];电焊机;2014年05期

3 汪任凭;雷永平;史耀武;;激光深熔焊中匙孔形成过程的动态模拟[J];焊接学报;2010年11期

4 张瑞华;陈磊;冷小冰;;大功率激光焊熔池特性的数值模拟[J];焊接;2009年10期

本文编号：2724083