钢/铝异种金属激光-电弧复合焊接数值模拟及实验研究
发布时间：2020-12-18 10:03
节能环保是未来汽车、航空航天等领域的发展趋势,轻量化就是实现这一目标的重要途径之一。在传统制造领域,钢和铝均为不可或缺的工程材料,以铝代替钢铁材料不仅可以降低构件重量、减少成本,而且符合节能环保的要求,因此采用钢/铝结构件实现材料轻量化成为当今工业技术的研究热点。激光-电弧复合热源焊接技术作为新型复合焊接技术之一,融合电弧焊接和激光焊接的优势,是一种具有全新的、高效的新型焊接热源,具有“1+1>2”的协同效应,在钢/铝结构件连接方面有巨大潜力。然而,钢和铝在物理性能方面差异显著,冶金相容性差,且焊接过程中极易形成脆性金属间化合物,这也对钢和铝的焊接性带来了巨大挑战。本课题采用激光-TIG复合热源焊的方法,对430铁素体不锈钢和6061铝合金薄板搭接焊工艺进行分析,基于COMSOL仿真软件建立钢/铝激光-TIG复合搭接焊三维瞬态有限元模型,对焊接过程中接头温度场分布特征进行阐述,探讨了焊缝接头的显微组织演变、界面层生长机制及接头力学性能,得到以下结果:激光-TIG复合热源焊可以实现钢/铝异种金属的有效连接,通过研究单因素作用下主要焊接参数（激光功率、电弧电流、焊接速度）对焊缝成型性...
【文章来源】：辽宁科技大学辽宁省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光-电弧复合热源焊接示意图
辽宁科技大学硕士学位论文3生的反冲压力下混合，但是由于焊接时间极短，冷却结晶速率大，熔池还未充分混合就开始凝固，使焊缝内部的成分不均匀，与此同时焊缝界面处还会形成硬脆的金属间化合物，导致接头质量下降。另外，钢和铝合金的热导率和线膨胀系数差异较大，同一热源很难加热均匀，这就会导致在焊接过程中产生大的焊接热应力和焊后残余应力，从而使接头发生变形甚至产生裂纹。（2）铝属于易氧化金属，加热过程中迅速生产Al2O3薄膜，该氧化物的致密性会阻碍熔池的混合，且其较高的熔点还会导致焊缝夹渣的产生。（3）铁和铝既可以形成固溶体、金属间化合物，也可以形成共晶体。图1.2为Al-Fe二元合金相图[22,23]。从图中可以看出，在室温下，铁几乎不溶于铝；即使在共晶温度（655℃）时，溶解度也才0.53wt.%，且该体系的反应驱动力很高，故几乎不生成固溶体。另外，随着元素Fe的增加会产生Fe2Al5、FeAl2、FeAl和Fe3Al等脆性金属间化合物，这些金属间化合物会严重降低接头力学性能。表1.1常温下钢和铝合金基体元素的化学性能Tab.1.1Chemicalpropertiesofsteelandaluminumalloymatrixelementsatroomtemperature元素符号原子序数相对原子质量晶格参数（A）原子半径（nm）原子外层电子结构晶格类型原子电负性Al1326.98a=b=c=4.050.1433s23p1FCC1.5Fe2655.85a=b=2.427c=7.6660.1273d64s2BCC1.8图1.2Al-Fe二元合金相图Fig.1.2Al-Febinaryalloyphasediagram综上，钢和铝焊接性较差的主要原因是由两种材料的物化性能差异导致，接头力学性能较差主要是界面金属间化合物引起。因此，想要获得良好的焊缝接头，就需要对焊接钢铝界面层的化学成分及其生长形态、分布规律进行探究。目前，
辽宁科技大学硕士学位论文13渣、裂纹等焊接缺陷。此外，铝合金表面的高熔点氧化膜会阻碍钢铝界面Al和Fe间的相互扩散，导致接头熔池流体不能充分混合，给接头带来危害和隐患。因此，在焊接实验前用砂纸将钢铝焊接表面打磨光滑，然后用丙酮清洗表面油污及杂质，进行风干处理后装夹到实验平台上准备实验。2.2.2复合焊接设备本实验所用设备为大连理工大学自主开发的第三代激光-电弧复合焊接设备，如图2.1所示。复合焊装置所用激光器为脉冲激光器，脉冲频率为0.1~100Hz，其主要性能参数如表2.4所示。TIG焊机为OTC生产的双重逆变交直流复用脉冲弧焊机，额定输出电流500A，额定功率为20kW。本实验所采用的保护气体为高纯氩气。图2.1激光-TIG复合热源焊接系统示意图Fig.2.1Thesketchoflaser-TIGhybridweldingequipment表2.4Nd:YAG脉冲激光器主要性能指标Tab.2.4TheindexofLWS-1000Nd:YAGlaserweldingequipment功率范围/W脉冲频率/Hz焊接稳定性/%光斑直径/mm频率范围/Hz聚焦境焦距/mm20~10000.1~100≤50.60.1~100120~150实验采用搭接的方式，夹具材料为高强钢，一方面确保焊接母材之间无缝隙，避免因搭接结合面缝隙而引起的焊缝缺陷；另一方面，高强钢可以加快焊后冷却，减小焊接过程产生的热应力和焊接变形，一定程度上可以提高焊缝接头的强度。2.2.3复合焊接方法采用“钢上铝下”的搭接方式，焊缝处于钢/铝搭接中心，焊接示意图如2.2所示。采用搭接方式主要考虑到在复合热源下能够产生较大的熔深，有利于焊缝
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光电弧复合焊焊接工艺在邮轮上的应用[J]. 余玮. 船舶工程. 2019(06)
[2]焊丝匹配对304/Q345异种钢激光-MAG复合焊接头组织和力学性能的影响[J]. 范乐天,张锦华,侯建英,付正鸿,杨邦建. 焊接技术. 2019(03)
[3]轻金属和轻量化材料在汽车中的实际应用[J]. 袁金磊. 山东工业技术. 2019(05)
[4]Q345/316L异种钢焊接残余应力与变形数值模拟[J]. 黄本生,陈权,杨江,刘阁,易宏雨. 焊接学报. 2019(02)
[5]钢/铝异种金属激光-MIG复合焊接接头组织与性能研究[J]. 曹润平,张建飞. 特种铸造及有色合金. 2019(02)
[6]熔敷顺序和管壁厚度对异种钢管板接头焊接残余应力与变形的影响[J]. 郑乔,逯世杰,李索,林旭东,王义峰,邓德安. 机械工程学报. 2019(06)
[7]T2铜与Q235钢异种材料焊接温度场模拟研究[J]. 陈丽,邱威,赵伟,韩潇橦,冯天宇. 铸造技术. 2018(07)
[8]焊接热输入对Q890/Q550异种钢激光-MAG复合焊接头组织及力学性能的影响[J]. 雷正龙,熊鹰,黎炳蔚,海卫东,卫国强. 焊接. 2018(05)
[9]P92/IN625异种钢焊接残余应力数值模拟[J]. 李索,任森栋,董军,张红涛,文仲波. 热加工工艺. 2018(09)
[10]汽车轻量化先进焊接技术研究进展[J]. 李报,陈思杰,赵丕峰. 热加工工艺. 2018(03)
博士论文
[1]激光深熔焊接过程流体流动分析和传热传质机理研究[D]. 吴家洲.南昌大学 2019
[2]铜—铝异种金属激光焊熔池流体动力学模拟与焊缝组织特征研究[D]. 薛志清.天津大学 2014
[3]铝—钢异种金属脉冲旁路耦合电弧MIG熔钎焊方法及机理研究[D]. 卢立晖.兰州理工大学 2012
[4]铝合金/不锈钢预涂层TIG熔—钎焊特性与界面行为研究[D]. 宋建岭.哈尔滨工业大学 2010
[5]铝/镀锌钢板CMT熔—钎焊机理研究[D]. 张洪涛.哈尔滨工业大学 2008
硕士论文
[1]异种钢激光焊接头组织性能及焊接温度场研究[D]. 彭磊.江苏科技大学 2019
[2]激光-MAG复合焊焊接Q345D/304数值模拟[D]. 王丹.西南石油大学 2018
[3]双光束激光焊接工艺对钢/铝合金异种金属接头组织和力学性能的影响[D]. 陈勃旭.北京工业大学 2018
[4]Q345/316L异种钢焊接温度场及残余应力的数值模拟[D]. 杨江.西南石油大学 2017
[5]合金元素对铝合金/钢熔—钎焊接头组织与性能的影响[D]. 王术军.山东大学 2013
[6]铝/镀锌钢板熔钎焊接头金属间化合物形成机理的研究[D]. 何翠翠.兰州理工大学 2013
[7]铝钢异种金属激光—电弧复合焊接工艺和接头界面特性研究[D]. 梅述文.华中科技大学 2013
[8]Fe/Al异种金属扩散焊界面形成机理研究[D]. 王敬.江苏科技大学 2012
本文编号：2923812
【文章来源】：辽宁科技大学辽宁省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光-电弧复合热源焊接示意图
辽宁科技大学硕士学位论文3生的反冲压力下混合，但是由于焊接时间极短，冷却结晶速率大，熔池还未充分混合就开始凝固，使焊缝内部的成分不均匀，与此同时焊缝界面处还会形成硬脆的金属间化合物，导致接头质量下降。另外，钢和铝合金的热导率和线膨胀系数差异较大，同一热源很难加热均匀，这就会导致在焊接过程中产生大的焊接热应力和焊后残余应力，从而使接头发生变形甚至产生裂纹。（2）铝属于易氧化金属，加热过程中迅速生产Al2O3薄膜，该氧化物的致密性会阻碍熔池的混合，且其较高的熔点还会导致焊缝夹渣的产生。（3）铁和铝既可以形成固溶体、金属间化合物，也可以形成共晶体。图1.2为Al-Fe二元合金相图[22,23]。从图中可以看出，在室温下，铁几乎不溶于铝；即使在共晶温度（655℃）时，溶解度也才0.53wt.%，且该体系的反应驱动力很高，故几乎不生成固溶体。另外，随着元素Fe的增加会产生Fe2Al5、FeAl2、FeAl和Fe3Al等脆性金属间化合物，这些金属间化合物会严重降低接头力学性能。表1.1常温下钢和铝合金基体元素的化学性能Tab.1.1Chemicalpropertiesofsteelandaluminumalloymatrixelementsatroomtemperature元素符号原子序数相对原子质量晶格参数（A）原子半径（nm）原子外层电子结构晶格类型原子电负性Al1326.98a=b=c=4.050.1433s23p1FCC1.5Fe2655.85a=b=2.427c=7.6660.1273d64s2BCC1.8图1.2Al-Fe二元合金相图Fig.1.2Al-Febinaryalloyphasediagram综上，钢和铝焊接性较差的主要原因是由两种材料的物化性能差异导致，接头力学性能较差主要是界面金属间化合物引起。因此，想要获得良好的焊缝接头，就需要对焊接钢铝界面层的化学成分及其生长形态、分布规律进行探究。目前，
辽宁科技大学硕士学位论文13渣、裂纹等焊接缺陷。此外，铝合金表面的高熔点氧化膜会阻碍钢铝界面Al和Fe间的相互扩散，导致接头熔池流体不能充分混合，给接头带来危害和隐患。因此，在焊接实验前用砂纸将钢铝焊接表面打磨光滑，然后用丙酮清洗表面油污及杂质，进行风干处理后装夹到实验平台上准备实验。2.2.2复合焊接设备本实验所用设备为大连理工大学自主开发的第三代激光-电弧复合焊接设备，如图2.1所示。复合焊装置所用激光器为脉冲激光器，脉冲频率为0.1~100Hz，其主要性能参数如表2.4所示。TIG焊机为OTC生产的双重逆变交直流复用脉冲弧焊机，额定输出电流500A，额定功率为20kW。本实验所采用的保护气体为高纯氩气。图2.1激光-TIG复合热源焊接系统示意图Fig.2.1Thesketchoflaser-TIGhybridweldingequipment表2.4Nd:YAG脉冲激光器主要性能指标Tab.2.4TheindexofLWS-1000Nd:YAGlaserweldingequipment功率范围/W脉冲频率/Hz焊接稳定性/%光斑直径/mm频率范围/Hz聚焦境焦距/mm20~10000.1~100≤50.60.1~100120~150实验采用搭接的方式，夹具材料为高强钢，一方面确保焊接母材之间无缝隙，避免因搭接结合面缝隙而引起的焊缝缺陷；另一方面，高强钢可以加快焊后冷却，减小焊接过程产生的热应力和焊接变形，一定程度上可以提高焊缝接头的强度。2.2.3复合焊接方法采用“钢上铝下”的搭接方式，焊缝处于钢/铝搭接中心，焊接示意图如2.2所示。采用搭接方式主要考虑到在复合热源下能够产生较大的熔深，有利于焊缝
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光电弧复合焊焊接工艺在邮轮上的应用[J]. 余玮. 船舶工程. 2019(06)
[2]焊丝匹配对304/Q345异种钢激光-MAG复合焊接头组织和力学性能的影响[J]. 范乐天,张锦华,侯建英,付正鸿,杨邦建. 焊接技术. 2019(03)
[3]轻金属和轻量化材料在汽车中的实际应用[J]. 袁金磊. 山东工业技术. 2019(05)
[4]Q345/316L异种钢焊接残余应力与变形数值模拟[J]. 黄本生,陈权,杨江,刘阁,易宏雨. 焊接学报. 2019(02)
[5]钢/铝异种金属激光-MIG复合焊接接头组织与性能研究[J]. 曹润平,张建飞. 特种铸造及有色合金. 2019(02)
[6]熔敷顺序和管壁厚度对异种钢管板接头焊接残余应力与变形的影响[J]. 郑乔,逯世杰,李索,林旭东,王义峰,邓德安. 机械工程学报. 2019(06)
[7]T2铜与Q235钢异种材料焊接温度场模拟研究[J]. 陈丽,邱威,赵伟,韩潇橦,冯天宇. 铸造技术. 2018(07)
[8]焊接热输入对Q890/Q550异种钢激光-MAG复合焊接头组织及力学性能的影响[J]. 雷正龙,熊鹰,黎炳蔚,海卫东,卫国强. 焊接. 2018(05)
[9]P92/IN625异种钢焊接残余应力数值模拟[J]. 李索,任森栋,董军,张红涛,文仲波. 热加工工艺. 2018(09)
[10]汽车轻量化先进焊接技术研究进展[J]. 李报,陈思杰,赵丕峰. 热加工工艺. 2018(03)
博士论文
[1]激光深熔焊接过程流体流动分析和传热传质机理研究[D]. 吴家洲.南昌大学 2019
[2]铜—铝异种金属激光焊熔池流体动力学模拟与焊缝组织特征研究[D]. 薛志清.天津大学 2014
[3]铝—钢异种金属脉冲旁路耦合电弧MIG熔钎焊方法及机理研究[D]. 卢立晖.兰州理工大学 2012
[4]铝合金/不锈钢预涂层TIG熔—钎焊特性与界面行为研究[D]. 宋建岭.哈尔滨工业大学 2010
[5]铝/镀锌钢板CMT熔—钎焊机理研究[D]. 张洪涛.哈尔滨工业大学 2008
硕士论文
[1]异种钢激光焊接头组织性能及焊接温度场研究[D]. 彭磊.江苏科技大学 2019
[2]激光-MAG复合焊焊接Q345D/304数值模拟[D]. 王丹.西南石油大学 2018
[3]双光束激光焊接工艺对钢/铝合金异种金属接头组织和力学性能的影响[D]. 陈勃旭.北京工业大学 2018
[4]Q345/316L异种钢焊接温度场及残余应力的数值模拟[D]. 杨江.西南石油大学 2017
[5]合金元素对铝合金/钢熔—钎焊接头组织与性能的影响[D]. 王术军.山东大学 2013
[6]铝/镀锌钢板熔钎焊接头金属间化合物形成机理的研究[D]. 何翠翠.兰州理工大学 2013
[7]铝钢异种金属激光—电弧复合焊接工艺和接头界面特性研究[D]. 梅述文.华中科技大学 2013
[8]Fe/Al异种金属扩散焊界面形成机理研究[D]. 王敬.江苏科技大学 2012
本文编号：2923812
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/2923812.html
教材专著
