高硅铝合金激光焊接头组织性能研究及温度场数值模拟

发布时间：2017-09-29 19:18

  本文关键词：高硅铝合金激光焊接头组织性能研究及温度场数值模拟

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【摘要】：高硅铝材料近年来被广泛用于电子元器件封装上,但其焊接性能差,具有较高的裂纹和气孔形成倾向。脉冲激光焊的线能量较低、焊速快、热影响区小,可以减少热冲击,适用于微型件与精密元器件的焊接。本文利用固体脉冲激光焊机进行高硅铝合金激光焊接实验,并采用数值模拟方法分析焊接时的温度场,探索适用于喷射沉积型高硅铝合金的激光焊接规范。通过对比三种不同焦距透镜的焊缝尺寸和成形质量,确定采用焦距为120mam的透镜,离焦量为+1mm。采用单一变量法,确定较优的激光焊接规范参数。Al-27Si合金和Al-50Si合金母材组织主要是a-A1基体和初晶硅；焊缝组织为初生硅和铝硅共晶体；热影响区组织为粗大的硅和铝硅共晶。焊缝区组织比母材组织更细小均匀,热影响区组织差异最大,是焊缝的薄弱部位。Al-27Si和Al-50Si合金焊缝区硬度均大于母材硬度,母材与焊缝中硬度波动不大,热影响区的显微硬度值波动较大。热模拟中随加热温度的升高,高硅铝合金焊缝区域中硅颗粒长大,逐渐出现铝硅共晶组织,气孔缺陷的数量也逐渐增加。模拟结果表明,控制焊接热输入,减少焊缝组织的高温停留时间,能够避免组织中缺陷以及晶粒粗化。通过比较选用高斯面热源和三维锥体热源的组合热源模型,获得了激光焊接过程的温度场分布结果。随着焊接电流的增大,熔池的尺寸明显增大,焊缝附近的高温区域逐渐扩大,焊件的整体温度上升。随着焊接速度的增大,焊缝的熔深有了明显的减小,焊缝附近的高温区域逐渐减小,焊缝整体温度也逐渐降低。激光焊接过程中,母材区域温度大部分低于300℃,对焊件内部器件影响较小。
【关键词】：高硅铝 脉冲激光焊 组织性能 热模拟 焊接温度场
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG456.7
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-17
• 1 绪论17-25
• 1.1 高硅铝合金的发展现状和意义17-21
• 1.1.1 高硅铝合金应用背景17-18
• 1.1.2 高硅铝合金常用的制备方法18-19
• 1.1.3 高硅铝合金的焊接性19-21
• 1.2 高硅铝合金激光焊接的可行性21-23
• 1.2.1 脉冲激光焊接技术21-22
• 1.2.2 高硅铝合金的激光焊接22-23
• 1.3 激光焊接的温度场模拟23-24
• 1.3.1 有限元模拟的意义23
• 1.3.2 焊接温度场模拟的发展23-24
• 1.4 研究内容24-25
• 2 实验材料及方法25-29
• 2.1 实验材料25
• 2.2 脉冲激光焊机25-27
• 2.3 焊接准备27
• 2.4 激光焊接的参数选择27-28
• 2.5 激光焊后金相观察28
• 2.6 焊缝接头的硬度测量28
• 2.7 Al-50Si合金高温处理模拟试验28-29
• 3 Al-27Si和Al-50Si合金的激光焊29-46
• 3.1 不同激光焊镜片焦距与离焦量的影响30-32
• 3.1.1 不同焦距镜片的焊缝30-31
• 3.1.2 离焦量对焊缝成形的影响31-32
• 3.2 激光焊电流的影响32-36
• 3.2.1 Al-27Si合金不同电流的焊缝33-34
• 3.2.2 Al-50Si合金不同电流的焊缝34-36
• 3.3 激光焊脉宽的影响36-38
• 3.3.1 Al-27Si合金不同脉宽的焊缝36-37
• 3.3.2 Al-50Si合金不同脉宽的焊缝37-38
• 3.4 激光焊接速度对焊缝的影响38-42
• 3.4.1 Al-27Si合金不同速度的焊缝39-40
• 3.4.2 Al-50Si合金不同速度的焊缝40-42
• 3.5 激光焊接频率对焊缝的影响42-45
• 3.5.1 Al-27Si合金不同频率的焊缝42-43
• 3.5.2 Al-50Si合金不同频率的焊缝43-45
• 3.6 小结45-46
• 4 高硅铝合金焊焊缝组织及热模拟46-60
• 4.1 焊缝的金相和SEM分析46-52
• 4.1.1 母材硅的组织形态46-47
• 4.1.2 焊缝组织47-48
• 4.1.3 Al-27Si合金焊缝组织金相与SEM48-49
• 4.1.4 Al-50Si合金焊缝组织金相与SEM49-52
• 4.1.5 焊缝元素分布52
• 4.2 高硅铝合金显微硬度52-54
• 4.2.1 Al-27Si焊缝硬度分布52-53
• 4.2.2 Al-50Si焊缝硬度分布53-54
• 4.3 高硅铝合金的焊接缺陷54-58
• 4.3.1 喷射沉积法制备材料的缺陷54-55
• 4.3.2 焊缝气孔55-57
• 4.3.3 焊缝裂纹57-58
• 4.4 高硅铝高温时组织变化模拟58-59
• 4.5 小结59-60
• 5 高硅铝合金焊接温度场模拟60-71
• 5.1 温度场模拟理论60-61
• 5.2 模型的建立及热源模型的选择61-66
• 5.2.1 ANSYS软件61
• 5.2.2 实体单元和材料参数61-62
• 5.2.3 建立模型划分网格62-63
• 5.2.4 求解63-64
• 5.2.5 热源模型的选择64-66
• 5.3 模拟结果与后处理66-67
• 5.3.1 模拟的焊缝与实验焊缝对比66-67
• 5.4 激光焊接温度场分布67-70
• 5.4.1 不同电流的焊接温度场67-68
• 5.4.2 不同速度的焊接温度场68-69
• 5.4.3 优化参数后焊接温度场分布69-70
• 5.5 小结70-71
• 6 结论71-72
• 创新点72-73
• 参考文献73-76
• 攻读硕士学位期间发表的论文76

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本文编号：943763