激光点焊—胶接复合连接特性及接头断裂机制研究

发布时间：2018-11-06 15:20

【摘要】：激光点焊—胶接复合技术凭借着自身良好的结构适应性,以及接头优良的综合力学性能,在航空、航天和汽车等领域具有很大的应用前景。但是,由于胶粘剂的气化温度较低,在激光的热作用下会产生大量气体冲击熔池,使复合连接过程存在着较大的不稳定性。目前,通常会采用一些辅助措施的方式控制胶粘剂气化。另外,目前对于点焊—胶接复合接头力学性能以及应力分布的研究,无法很好地揭示复合接头的断裂机制。本文以此为研究目标,以低碳钢Q195,和三种不同的胶粘剂J-11、AD-1301和Terokal-5089为试验材料,提出了利用组合脉冲的激光点焊—胶接复合连接的工艺,并对工艺和所获复合接头断裂行为进行了系统的研究。首先,研究组合脉冲激光对于胶层气体的控制。试验结果表明,利用低功率长时间的预气化脉冲,在保证金属上板未熔透的前提下,使焊接区域下方的胶层气化,并在焊接区域形成足够大的“无胶区域”,达成无胶焊接的目的。通过系统的工艺试验,证明了利用预气化脉冲控制胶层气化的可行性,成功地解决了激光点焊—胶接复合连接工艺过程中胶层气化对熔池的冲击问题。并且提出了实现胶层预气化过程的三个判定条件:1、预气化过程中上板金属不能熔透;2、胶层达到受力平衡状态时,胶层气体压力不足以冲击熔池;3、胶层达到受力平衡状态时,所形成的无胶区域尺寸大于点焊熔合面尺寸。并以此建立预气化脉冲的工艺模型,优化预气化脉冲的工艺参数以及确定本工艺条件下胶粘剂粘度的最大值。进一步,开展对于激光点焊—胶接复合接头断裂机制的研究,解释复合接头力学性能变化的原因,获得复合接头力学性能的主要控制因素。通过对胶接接头、激光点焊接头和激光点焊—胶接复合接头的静载和动载力学性能进行测试,证明激光点焊—胶接复合接头具有优秀的综合力学性能。在静载试验中,相比于点焊接头,拉剪载荷提高140%,剥离载荷提高17%,抗弯载荷提高33%,相比于胶接接头,拉剪载荷提高12%,剥离载荷提高336%,抗弯载荷提高47%;在动载力学性能测试中,激光点焊—胶接复合接头所表现出的性能与胶接接头较为接近,明显优于激光点焊接头,且疲劳断口表明,复合接头的疲劳性能主要依赖胶接部分。在拉剪力学性能测试的基础上,建立了激光点焊—胶接复合接头拉剪过程的动态断裂有限元计算模型。分析了复合接头的拉剪断裂过程,证明复合接头两个胶接端面是受力的关键位置。并且解释了复合接头承载能力提高的原因:焊点的加入,焊点的存在提高了接头的弹性模量,降低了承载过程中搭接界面的相对位移,增强了连接界面的抗裂能力,从而提高复合接头的承载能力。利用断裂模型,计算分析了胶层弹性模量、胶接断裂位移、胶接断裂强度等特性对复合接头拉剪性能的影响。证明了影响激光点焊—胶接复合接头性能的主要因素是胶层的胶接断裂强度。分析了焊点排布方式对复合接头断裂过程的影响,证明焊点可以阻碍裂纹在复合接头胶接界面内的扩展,当与受力方向串行排列时,可以使复合接头内的胶层开裂过程产生递次断裂的现象。
[Abstract]:The laser spot-welding glue-bonding composite technology has a great application prospect in the fields of aviation, space and automobile by virtue of good structural adaptability and excellent comprehensive mechanical property of the joint. However, because the gasification temperature of the adhesive is low, a large amount of gas is generated to impact the molten pool under the action of the laser, so that the composite connection process has great instability. Currently, some of the auxiliary measures are used to control the gasification of the adhesive. In addition, the fracture mechanism of the composite joint can not be well disclosed for the study of the mechanical properties and the stress distribution of the spot-welded composite joint. In this paper, using the low-carbon steel Q195 and three different adhesives, J-11, AD-1301 and Tekal-5089 as the test materials, the technology of using the combined pulse to spot-weld the composite joint was put forward, and the fracture behavior of the composite joint was studied. First, the control of the combined pulse laser on the gas of the glue layer is studied. The test results show that the glue layer under the welding area is gasified under the premise of ensuring that the upper plate of the metal is not fused, and a sufficient 鈥渘on-adhesive area鈥，

本文编号：2314669