磁场对铝合金激光焊接熔池流动及凝固组织影响的试验与数值研究
发布时间：2020-12-26 00:31
铝合金以其比强度高、密度低等特性被广泛应用于汽车、高速列车、飞机等领域。激光焊接因热输入小、残余应力低和焊接速度快等优势在铝合金焊接中受到重视。然而,铝合金具有激光反射率高、热膨胀系数大、液相表面张力低等特殊的物理化学特性,其激光焊接易出现气孔、成形差等问题,降低了接头的力学性能,在工业中的应用受到限制。同时,磁场辅助焊接技术在抑制缺陷、改善焊缝形貌及组织等方面效果显著,在铝合金激光焊接中应用潜力很大。磁场辅助铝合金激光焊接过程中,磁场与熔池的作用过程极其复杂,现有研究多侧重于利用磁场抑制缺陷及改善焊缝性能,关于磁场对焊缝形貌及组织影响机制的研究较少,磁场对熔池流动和凝固行为的影响尚不十分清楚。因此,本文从熔池流动和凝固行为的角度出发,围绕磁场对铝合金激光焊接焊缝形貌和组织的影响机制开展了较为深入的实验和数值模拟研究,主要研究工作如下:(1)搭建了磁场辅助激光焊接实验平台,研究了关键工艺参数(激光功率、焊接速度和磁感应强度)对焊缝横截面形貌、组织和力学性能的影响。研究表明:磁场能够减小熔宽、增加熔深和腰宽,其中,腰宽受磁场的影响最为显著;磁场能够明显改变焊缝柱状晶组织形貌和过渡区宽度;...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
磁场对电弧形貌和焊缝横截面形貌的影响[38]（IA=160A，IW=90A，dw=18mm）
华中科技大学博士学位论文4熔池的流动行为，11mT左右的磁场可以有效抑制下塌和咬边缺陷（如图1-1）。图1-1磁场对电弧形貌和焊缝横截面形貌的影响[38]（IA=160A，IW=90A，dw=18mm）Fig.1-1Effectsofmagneticfluxdensityonarcprofileandcrosssectionofweldbead[38](IA=160A,IW=90A,dw=18mm)山东大学的武传松[12,36,37,39]课题组研究发现，在熔化极气体保护焊接（Gasmetalarcwelding,GMAW）Q235低碳钢过程中，磁场可以改变熔池流动状态进而抑制驼峰缺陷，并进一步研究了磁场抑制驼峰的作用机制。在焊接速度超过一定的阈值后，动量很大的后向液体会导致焊缝缺陷（如咬边、驼峰等缺陷）产生，使得焊缝成形比较差，降低焊接构件的使用性能。图1-2不同磁场作用下焊缝上表面形貌[12]：（a）B=0mT；（b）B=40mT；（c）B=60mT；（d）B=80mTFig.1-2Weldbeadmorphologiesatdifferentlevelsofmagneticstrength[12]:(a)B=0mT;(b)B=40mT;(c)B=60mT;(d)B=80mT在采用自主研发的磁场发生装置施加磁场后，磁场与焊接电流作用，通过调节磁场方向，熔池中产生了指向焊接方向的洛伦兹力，该作用力与电弧压力、熔滴冲击力、
囊禾?鹗糇饔靡?鸲??缌鳎???缌髟儆氪懦∽饔貌??迓鬃攘Γ?米饔昧χ?接作用于液态金属，改变熔池的流动行为，这一作用应与磁场的方向无关。然而，Kern等人[42]研究发现磁场辅助CO2激光焊接中，焊缝形貌与磁场的方向密切相关，当仅改变磁场的方向时，也会引起焊缝形貌发生很大的变化。这一现象与理论上分析的动生电流与磁场作用引起的洛伦磁力作用机制明显不一致，他们认为熔池中产生了一种与磁场无关的固有电流，并设计实验间接确认了固有电流的存在，最后他们提出假设，认为这种电流来自于热电效应引起的热电流。图1-3CO2激光焊接中等离子体引起的电流测试[43]：（a）电流测试示意图；（b）电流的测试结果Fig.1-3MeasurementofthepostulatedplasmadrivencurrentduringCO2laserbeamwelding[43]：(a)schematicdiagramofthecurrentmeasurement;(b)testresultsofthecurrent
【参考文献】：
期刊论文
[1]焊接熔池凝固过程联生结晶晶体学取向对线性不稳定动力学的影响[J]. 郑文健,贺艳明,杨建国,董志波. 机械工程学报. 2018(02)
[2]基于光纤激光的LY12铝合金焊接试验分析[J]. 刘浩东,胡芳友,雷国强,黄飞,崔爱永. 焊接学报. 2017(07)
[3]外加磁场对不锈钢激光热丝焊的影响[J]. 赵泽洋,米高阳,张勋,王春明,胡席远. 激光技术. 2017(02)
[4]交变纵向磁场作用下MIG焊电弧行为研究[J]. 朱胜,王启伟,殷凤良,梁媛媛,王晓明,李显鹏. 材料热处理学报. 2011(11)
[5]微观组织对2A12铝合金熔焊接头力学性能的影响[J]. 乔及森,余江瑞,苟宁年,袁小二. 焊接学报. 2011(09)
[6]磁场电流对镁合金焊接接头疲劳性能的影响[J]. 苏允海,温小波,刘铎,刘政军. 焊接学报. 2011(04)
[7]外加纵向磁场作用下的TIG焊接电弧[J]. 常云龙,杨旭,李大用,李多. 焊接学报. 2010(04)
[8]高能束焊接数值模拟可变新型热源模型的建立[J]. 杨建国,陈绪辉,张学秋. 焊接学报. 2010(02)
[9]用自适应热源模型模拟深熔焊小孔的形成过程[J]. 张斌,赵海燕,蔡志鹏,雷永平. 清华大学学报(自然科学版). 2009(11)
[10]外加纵向磁场作用下的MIG焊电弧形态[J]. 常云龙,邵礼光,李多,李大用. 焊接技术. 2009(05)
博士论文
[1]磁场辅助激光-MIG复合焊接对316L焊缝组织与性能影响的研究[D]. 陈荣.华中科技大学 2018
[2]铝/钢结构增材连接界面行为及磁场作用机制研究[D]. 刘一搏.哈尔滨工业大学 2016
[3]Al-Cu合金焊接熔池凝固枝晶动态生长机制的相场研究[D]. 郑文健.哈尔滨工业大学 2014
[4]万瓦级激光深熔焊接中金属蒸气与熔池耦合行为研究[D]. 李时春.湖南大学 2014
[5]二元合金定向凝固中内生热电流与外加磁场交互作用的研究[D]. 王江.上海大学 2014
[6]外加电磁场控制焊接变形及冷裂纹研究[D]. 徐达.哈尔滨工业大学 2011
[7]激光深熔焊接瞬态小孔和运动熔池行为及相关机理研究[D]. 庞盛永.华中科技大学 2011
[8]激光+GMAW-P复合热源焊焊缝成形的数值模拟[D]. 胥国祥.山东大学 2009
硕士论文
[1]磁场辅助光纤激光焊接工艺研究[D]. 赵泽洋.华中科技大学 2016
本文编号：2938677
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
磁场对电弧形貌和焊缝横截面形貌的影响[38]（IA=160A，IW=90A，dw=18mm）
华中科技大学博士学位论文4熔池的流动行为，11mT左右的磁场可以有效抑制下塌和咬边缺陷（如图1-1）。图1-1磁场对电弧形貌和焊缝横截面形貌的影响[38]（IA=160A，IW=90A，dw=18mm）Fig.1-1Effectsofmagneticfluxdensityonarcprofileandcrosssectionofweldbead[38](IA=160A,IW=90A,dw=18mm)山东大学的武传松[12,36,37,39]课题组研究发现，在熔化极气体保护焊接（Gasmetalarcwelding,GMAW）Q235低碳钢过程中，磁场可以改变熔池流动状态进而抑制驼峰缺陷，并进一步研究了磁场抑制驼峰的作用机制。在焊接速度超过一定的阈值后，动量很大的后向液体会导致焊缝缺陷（如咬边、驼峰等缺陷）产生，使得焊缝成形比较差，降低焊接构件的使用性能。图1-2不同磁场作用下焊缝上表面形貌[12]：（a）B=0mT；（b）B=40mT；（c）B=60mT；（d）B=80mTFig.1-2Weldbeadmorphologiesatdifferentlevelsofmagneticstrength[12]:(a)B=0mT;(b)B=40mT;(c)B=60mT;(d)B=80mT在采用自主研发的磁场发生装置施加磁场后，磁场与焊接电流作用，通过调节磁场方向，熔池中产生了指向焊接方向的洛伦兹力，该作用力与电弧压力、熔滴冲击力、
囊禾?鹗糇饔靡?鸲??缌鳎???缌髟儆氪懦∽饔貌??迓鬃攘Γ?米饔昧χ?接作用于液态金属，改变熔池的流动行为，这一作用应与磁场的方向无关。然而，Kern等人[42]研究发现磁场辅助CO2激光焊接中，焊缝形貌与磁场的方向密切相关，当仅改变磁场的方向时，也会引起焊缝形貌发生很大的变化。这一现象与理论上分析的动生电流与磁场作用引起的洛伦磁力作用机制明显不一致，他们认为熔池中产生了一种与磁场无关的固有电流，并设计实验间接确认了固有电流的存在，最后他们提出假设，认为这种电流来自于热电效应引起的热电流。图1-3CO2激光焊接中等离子体引起的电流测试[43]：（a）电流测试示意图；（b）电流的测试结果Fig.1-3MeasurementofthepostulatedplasmadrivencurrentduringCO2laserbeamwelding[43]：(a)schematicdiagramofthecurrentmeasurement;(b)testresultsofthecurrent
【参考文献】：
期刊论文
[1]焊接熔池凝固过程联生结晶晶体学取向对线性不稳定动力学的影响[J]. 郑文健,贺艳明,杨建国,董志波. 机械工程学报. 2018(02)
[2]基于光纤激光的LY12铝合金焊接试验分析[J]. 刘浩东,胡芳友,雷国强,黄飞,崔爱永. 焊接学报. 2017(07)
[3]外加磁场对不锈钢激光热丝焊的影响[J]. 赵泽洋,米高阳,张勋,王春明,胡席远. 激光技术. 2017(02)
[4]交变纵向磁场作用下MIG焊电弧行为研究[J]. 朱胜,王启伟,殷凤良,梁媛媛,王晓明,李显鹏. 材料热处理学报. 2011(11)
[5]微观组织对2A12铝合金熔焊接头力学性能的影响[J]. 乔及森,余江瑞,苟宁年,袁小二. 焊接学报. 2011(09)
[6]磁场电流对镁合金焊接接头疲劳性能的影响[J]. 苏允海,温小波,刘铎,刘政军. 焊接学报. 2011(04)
[7]外加纵向磁场作用下的TIG焊接电弧[J]. 常云龙,杨旭,李大用,李多. 焊接学报. 2010(04)
[8]高能束焊接数值模拟可变新型热源模型的建立[J]. 杨建国,陈绪辉,张学秋. 焊接学报. 2010(02)
[9]用自适应热源模型模拟深熔焊小孔的形成过程[J]. 张斌,赵海燕,蔡志鹏,雷永平. 清华大学学报(自然科学版). 2009(11)
[10]外加纵向磁场作用下的MIG焊电弧形态[J]. 常云龙,邵礼光,李多,李大用. 焊接技术. 2009(05)
博士论文
[1]磁场辅助激光-MIG复合焊接对316L焊缝组织与性能影响的研究[D]. 陈荣.华中科技大学 2018
[2]铝/钢结构增材连接界面行为及磁场作用机制研究[D]. 刘一搏.哈尔滨工业大学 2016
[3]Al-Cu合金焊接熔池凝固枝晶动态生长机制的相场研究[D]. 郑文健.哈尔滨工业大学 2014
[4]万瓦级激光深熔焊接中金属蒸气与熔池耦合行为研究[D]. 李时春.湖南大学 2014
[5]二元合金定向凝固中内生热电流与外加磁场交互作用的研究[D]. 王江.上海大学 2014
[6]外加电磁场控制焊接变形及冷裂纹研究[D]. 徐达.哈尔滨工业大学 2011
[7]激光深熔焊接瞬态小孔和运动熔池行为及相关机理研究[D]. 庞盛永.华中科技大学 2011
[8]激光+GMAW-P复合热源焊焊缝成形的数值模拟[D]. 胥国祥.山东大学 2009
硕士论文
[1]磁场辅助光纤激光焊接工艺研究[D]. 赵泽洋.华中科技大学 2016
本文编号：2938677
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