（机械电子工程专业论文）2024薄板铝合金激光拼焊工艺参数优化及电化学腐蚀性能研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 铝合金具有高比强度、高比模量和高疲劳强度，以及良好的断裂 韧性和较好的裂纹扩展率，同时还具有优良的成形工艺性和良好的抗 腐蚀性。因此，被广泛应用于各种焊接结构和产品中。传统的铝合金 焊接一般采用t i g 焊或m i g 焊工艺，但所面临的主要问题是焊接过程 中较大的热输入使铝合金板变形较大，焊接速度慢，生产效率低。由 于焊接变形大，随后的矫正工作往往浪费大量的时间，增加了制造成 本，影响了生产效率和制造质量。而激光焊接具有功率密度高、焊接 热输入低、焊接热影响区小和焊接变形小等特点，使其在铝合金焊接 领域受到格外的重视。 激光焊接接头的组织和性能主要取决于激光焊接作用的工艺参 数。不同的焊接工艺参数下，激光束对板材的加热过程以及熔池的温 度分布都不同，因此，用有限元方法模拟激光焊接过程中的温度场分 布，从而为组织分析和焊接工艺提供依据具有一定的现实意义。 目前铝合金激光焊接的研究主要聚焦于焊接接头组织、力学性能、 残余应力数值模拟等，很少有研究激光焊接铝合金的腐蚀行为。 本文利用n d ：y a g 激光器对厚为0 5 m m 的c u m g 系2 0 2 4 铝合 金薄板进行激光焊接实验。通过正交实验研究了影响焊缝质量的因素， 优化了激光焊接工艺参数，实验获得最佳焊接质量，其拉伸强度达到 1 3 1 5 8 m p ，接近母材的7 2 ，焊缝中心以等轴晶为主，垂直于熔合线方 向生成树枝柱状晶。硬度分布显示焊缝区域最低，其原因是由于焊缝 中合金元素的烧损和焊缝金属的不完全淬火使过饱和度降低了，焊接 接头中析出的强化相相应减少所造成的。实验中基于a n s y s 建立高斯 热源模型，利用a p d l 语言编程实现热源的移动加载，从而对焊接温 2 0 2 4 薄板铝合金激光拼焊工艺参数优化及电化学腐蚀性能研究 度场进行动态模拟，得出温度分布，最后进行温度场和焊缝宽度测量。 对比表明，实验数据和模拟结果吻合较好。另外，在此基础上对焊件 焊缝、热影响区和母材区域进行了电化学腐蚀试验研究，测得动电位 极化曲线和阻抗图谱，结合静态腐蚀失重试验和金相观察进行对比， 研究表明，同一试件下无填充材料下的2 0 2 4 铝合金激光焊接件的抗腐 蚀性能热影响区、焊缝、母材依次升高，不同试件之间焊缝抗腐蚀性 能随激光功率和能量增大而逐渐降低，热影响区趋势一致。 关键词：铝合金；激光拼焊；有限元模拟；温度场；焊缝宽度；电化 学腐蚀 a b s t r a c t u u m i n u ma n o yp o s s e s s e sh i g hs p e c i f i cs t r e n g t h ，h i g hs p e c i f i c n l o d u l u s ，h i g hf a t i g u es t r e n g t h ，g o o d f t a c t u r e t o u g h n e s sa n dg o o dc r a c k g r o 叭hr a t e ，b e s i d e sw i t he x c e l l e n tf b m i n gp r o c e s s ，a n dg o o dc o o s i o n r e s i s t a n c e t h e r e f b r e ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di n av a r i e t yo fw e l d e d s t m c t u r e sa n dp r o d u c t s n a d i t i o n a lw e l d i n g o fa l u m i n u ma u o yi s c o m m o n l yu s e db yt i gw e l d i n go rm i gw e l d i n g ，w i t hf a c i n gt h em a i n p r o b l e m sw h i c ha r et h el a 曙eh e a ti n p u to fw e l d i n gp r o c e s s t h a ta l u m i n u m a l l o yp l a t ed e f b n n a t i o nb e c o m e sl a 喀e r s l o ww e l d i n gs p e e d a n dl o w p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y d u et o w e l d i n gd e f b m a t i o n a n ds u b s e q u e n t c o 玎e c t i v ew o r ki so f t e naw a s t eo fal o to ft i m e ，i n c r e a s e sm a n u f a c t u r i n g c o s t s ，a n da 骶c t st h ep r o d u c t i o ne f ! f i c i e n c ya n dm a n u f a c t u r i n gq u a l i t y 、佬t l a s e rw e l d i n gw i t hh i 曲p o w e rd e n s i t y ，l o wh e a ti n p u t ，n a r r o ww e l d i n gh e a t a f f e c t e dz o n ea n ds m a l lw e l d i n gd e f o 咖a t i o na i l do t h e rf e a t u r e s ，h a s r e c e i v e ds p e c i a la t t e n t i o ni nt h ef i e l do fa l u i i l i n u ma n o yw e l d i n g m i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o m a n c eo fl a s e rw e l d e dj o i n t sm a i n l yd e p e n d s o nt h ep r o c e s sp a r 锄e t e 璐o fl a s e rw e l d i n g u n d e rd i 疵r e n tw e l d i n g p a r a m e t e 珞， t h el a s e rb e a mo nt h eh e a t i n gp r o c e s so ft h ep l a t ea n d t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fm o l t e np o o la r ed i 骶r e n t ，t h e r e f o r e ，i tw i l lh a v e ac e i r t a i n p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eb yu s i n g t h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o s i m u l a t et h el a s e rw e l d i n gp r o c e s si nt h et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n ，觚d t h u sp r o v i d et h eb a s i sf o rm i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i sa n dw e l d i n gp r o c e s s c u r r e n t l y ，r e s e a r c h e sa b o u ta l u m i n u ma l l o yl a s e rw e l d i n ga r em a i n l y f o c u s e do nt h ew e l d e dj o i n t s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n o fr e s i d u a ls t r e s s ，w h i l ef e ws t u d i e so nc o 盯o s i o nb e h a v i o ro fl a s e rw e l d i n g o fa l u m i n u ma l l o y i nt h i sd i s s e i r t a t i o n ，an d ：y a gl a s e ri s u s e df o rl a s e rw e l d i n g e x p e r i m e n t s0 f2 0 2 4a l u m i n u ma l l o ys h e e tb e l o n g e dt o - c u - m g s e r i e so n t h et h i c k n e s so f0 5 m m t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ew e l dq u a l i t yw e r ef o u n d t i i 2 0 2 4 薄板铝合金激光拼焊工艺参数优化及电化学腐蚀性能研究 a n dt h el a s e rw e l d i n g p r o c e s sp a r a m e t e r sw e r eo p t i i n i z e db ya no r t h o g o n a l e x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n to b t a i n st h eb e s t 、v d d j n gq u a l i 哆w h o s et e n s i i e s t r e n 戬hr e a c h e s1 31 5 8 m p ，n e a r l y7 2 o ft h ep a r e n tm e t a l t h e 、e l d c e n t e rm a i n l yg e n e r a t e se q u i a x e dg r a j n s ，a 1 1 db r a n c h e sc o l u 眦i a r g r 缸n sa r e c r y s t a l l i z e dp e 印e n d i c u l a rt ot h ed i r e c t i o no ft h ef u s i o nl i n e h a r d n e s s d i s t r i b u t i o ns h o w st h em i n i m u mi st h e 、e l d i n gz o n e ，t h er e a s o ni sc a u s e d b yt h a tt h ea l l o y i n ge l e m e n t si nt h ew e l da b l a t e da i l dw e l dm e t a li sn o t c o m p l e t e l yq u e n c h e dt or e d u c et h es a t u r a t i o nt h a tt h es t r e n g t h e n i n gp h a s e p r e c i p i t a t e d i nt h ew e l d e d j o i n t sc o l l r e s p o n d i n 百yd e c r e a s e s i nt h e e x p e r i m e n t ，g a u s s i a nh e a ts o u r c em o d e lw a se s t a b l i s h e db a s e do na n s y s a n da p d l p r o g r a m m i n gl a n g u a g ew a su s e df o rm o b i l es o u r c e so fh e a tl o a d t oo b t a i nt h e d y n a m i cs i m u l a t i o no fw e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，a n d 蠡n a l l yt h et e m p e r a t u r ef ! i e l da n dw e l dw i d t h w e r em e a s u r e d t h ec o m p a r i s o ns h o w st h a tt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n d s i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e ew e l l a d d i t i o n a l l y ，o nt h i sb a s i s ，r e 百o n so fw e l d ， h e a ta f ! f 的t e dz o n ea n db a s em e t a la r et e s t e db ye l e c t r o c h e r n j c a lc o l l r o s i o n 。 w i t hp o l a r i z a t i o nc u r v e sa i l di n l p e d a n c es p e c t r o s c o p ym e a s u r e dw h j c ha r e c o m p a r e d w i t hs t a t i cc o n o s i o n w e i g h t l o s st e s ta n d m e t a l l o 舒a p h i c o b s e i v a i i o 璐s t u d j e sh a v es h o w nl h a tu d d e rt h es a m et e s tc o n d j t i o n s h e a t a f 亿c t e dz o n e ，w e l d ，a n db a s em e t a lo ft h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo f2 0 2 4 a l u m j n u ma 儿o yw i t h o u tl 弱e rw e l d i n g 丘1 1 e rm a t e d a li n c r e a s e si nt u m ，t h e w e l dc o h o s i o nr e s i s t a n c eb e 咐e e nd i 骶r e n ts p e c i m e n sg r a d u a l l yr e d u c e s w i t ht h el a s e rp o w e ra n de n e 唱yi n c r e a s i n g ，t h eh e a t - a n e c t e dw i t ht h es a m e t r e n d k e yw o i m s ：a l u 觚n u ma l l o y ，l a s e rw e l d i n g ，f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ， t e m p e r a t u r ef i e l d ，w e l dw i d t l l ，e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o n 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 1 1 1 激光焊接薄板铝合金的特点及应用 自从2 0 世纪6 0 年代美国采用红宝石激光器在钻石打孔以来，激光加工技术 经过几十年的发展，已成为工业生产中的一项常用技术。与传统焊接热源相异， 激光在传输和聚焦方面具有优良特性，激光束经过聚焦透镜组后，其能量可以全 部集中于一点。因此，激光可以焊接很小的地方，且所用到的能量近乎最小。由 于高度集中的激光能量，焊接所用时间也大幅度缩短，加工效率也相应提高，焊 缝组织从而得以细化，并且使近缝区所受热影响降至最低。同时焊接接头的综合 性能得到了很好的保证，焊接结构的变形也最小船1 。 1 8 0 7 年英国人h 达维用电化学方法分离明矾石时发现了铝，并在1 8 0 9 年在 电弧炉中练出一种铝铁合金，自此以后世界众多科学家对铝及其合金进行了大量 的研究试验工作，铝材从最初的奢侈品随着冶炼技术的提高和生产成本的降低逐 渐进入生活日常用品以及交通运输工业。德国人a 维尔姆于1 9 0 6 年发明了硬铝合 金( c u m g 合金) ，使铝的强度提高两倍，在第一次世界大战期间，飞机制造 和其他军火工业大量使用了这种合金。此后他又陆续开发了不同成分和热处理状 态的舢m n 、m g 、m g s i 、一c u - m g - z n 、- z n m g 等铝合金，这些合金的 特性和功能各异，在建筑工业、铁路、汽车、船舶及飞机制造等工业部门上的应 用得到了迅速的发展口3 。 铝合金的比强度、比模量以及疲劳强度都很高，断裂韧性和裂纹扩展率较好， 同时其成形工艺性优良，抗腐蚀性良好。因此，铝合金在各种焊接结构和产品中 被广泛应用。t i g 焊或m i g 焊作为传统的铝合金焊接工艺，其焊接过程中较大的 热输入导致较大的铝合金板变形、焊速慢、生产效率低成为要改善的主要问题。 由于焊接变形大，随后往往要耗费大量的时间进行变形的矫正工作，制造成本增 加，制造质量和生产效率都随之受到影响。而激光焊接较前面两种焊接工艺，具 有高功率密度、焊接热输入低、焊接热影响区小和焊接变形小等特点，使其在焊 2 0 2 4 薄板铝合金激光拼焊工艺参数优化及电化学腐蚀性能研究 接铝合金领域格外受到重视。 激光焊接铝合金的主要难点包括：( 1 ) 铝合金自身的高导热性以及对激光束 的高初始反射率导致铝合金在未熔化前对激光的吸收率变得很低，诱导“小孔 比较困难。( 2 ) 激光焊接过程中，铝的低电离能使得光致等离子体很容易过热和 扩展，降低了焊接稳定性。( 3 ) 激光焊接铝合金的过程中，气孔和热裂纹很容易 产生。( 4 ) 在铝合金焊接过程中，激光的高能量会致使部分合金元素烧损，焊接 接头的力学性能有所下降。 目前，国内激光焊接的研究主要集中在大中厚板的焊接和激光电弧复合焊接 的研究中，对于薄板的焊接研究者较少，研究薄板铝合金材料的激光焊接者尤为 甚少。随着铝合金的应用越来越广和激光焊接技术的进一步发展，相信会有更多 的人力和物力投入到这一研究行业中来。 1 1 2 激光焊接温度场模拟的应用 数值模拟是研究焊接过程的重要手段，准确的模拟结果不仅可便于实际工艺 安排，并且能帮助降低成本，为企业带来更大的利润。作为焊接过程的热输入， 其能量高而集中的特点是引起焊接变形与残余应力的最主要原因，而焊接热源的 选取便成为焊接过程数值模拟的首要解决问题h 1 。 通常情况下，激光焊接作用的工艺参数决定了激光焊接接头的组织和性能。 随着激光焊接工艺参数的变化，焊件的受热过程以及熔池的温度分布都会相应该 变，因此，基于组织分析和为焊接工艺提供依据考虑，激光焊接过程中的温度场 分布有限元方模拟有其一定的现实意义。a n s y s 有限元软件是国际上著名的大型 通用仿真软件之一，它能提供多种有限元分析，包括从简单的线性静态分析到复 杂的非线性动态分析。通常a n s y s 里一个典型的分析过程包括以下三个步骤：有 限元模型的创建、加载求解、分析结果的查看。在有限元分析过程中，通常使用 以下三个模块：前处理、分析求解以及后处理。其中进行计算结果的处理使用后处 理模块，结果可以以等直线、梯度、矢量、粒子流及云图等图形方式显示出来旧。 a n s y s 以其强大的热结构耦合及瞬态、非线性分析能力使其在焊接模拟技术中具 有广阔的前景。 基于a n s y s 建立高斯热源模型，利用a p d l 语言编程实现热源的移动加载， 2 江苏大学硕士学位论文 从而对焊接温度场进行动态模拟，得出温度分布，最后进行温度场和焊缝宽度测 量，通过实验数据和模拟结果的对比，验证模拟的可靠性。 1 1 3 铝合金腐蚀的研究意义 金属的腐蚀发生在金属和周围介质接触时，由于产生的化学和电化学作用而 使金属遭受破坏。从热力学角度看，除少数a u 、p t 等贵金属外，其余金属都有趋 势转变成离子形态，也就是说金属腐蚀具有自发性和普遍存在性。腐蚀后的金属， 其外形、色泽以及机械性能等方面都将发生变化，这些变化会导致管道泄漏、设 备损坏、产品污染，严重的会酿成燃烧或爆炸等恶性事故以及造成巨大的资源和 能源浪费，国民经济因此而遭受损失。据估算，每年国际上各发达国家约占其g n p ( 国民生产总值) 3 5 4 2 的经济损失都是由于金属腐蚀而造成的，损失额 已经超过每年火灾、风灾及地震等各项大灾损失的总和。我国每年由于腐蚀造成 的损失也近千亿人民币嘲。甚至有人估计全世界每年约有1 亿吨的金属被腐蚀报废 和损耗i 因此，进行腐蚀机理的研究并采取相应防护措施，对经济建设有着十分 重大的意义。 1 2 国内外激光焊接的研究现状 1 2 1 激光焊接研究现状 自1 9 1 7 年爱因斯坦提出激光基础理论以来，激光器在4 3 年后的1 9 6 0 年才问 世，激光技术的迅速发展开始于2 0 世纪8 0 年代，而激光用于焊接还是最近2 0 年 的事，并在汽车、船舶、航空等行业的应用日趋广泛。以汽车为例，激光拼焊剪 裁板成为汽车制造业的主要应用之一。纵观国内外，激光焊接在汽车业的应用越 来越普遍，采用的设备也都是三维五轴激光机器人系统。此外，船用甲板的焊接、 飞机机翼隔架、发动机壳体的焊接等都涉及了激光焊接技术。 随着激光技术的发展，由于材料加工中( 尤其是焊接) 波长短的固体激光较 气体激光更具优势( 吸收了高、光导纤维传输、焊接柔性化等) ，焊接界越来越重 视固体激光器。近年来国外出现了千瓦级以上的激光二极管泵浦的n d ：y a g 激光 器、碟形激光器、光纤激光器和激光二极管阵列激光器等，其性能对比如表1 1 所 3 2 0 2 4 薄板铝合金激光拼焊工艺参数优化及电化学腐蚀性能研究 示口1 。对比表明，未来激光加工用激光器的发展方向主要趋向于二极管泵浦的 n d ：y a g 激光器、碟形激光器、光纤激光器和激光二极管阵列激光器。 表1 1 不同激光器性能对比 1 a b l c l 1p c r f o 衄栅c o m p 撕s o nb e 俩啪d 近e 伦n tl a s e r s 目前，国内生产的固体激光器主要在1k w 以下，功率较低，大多用于薄壁或 小型构件的焊接，很难满足大型构件的焊接需求。 为了提高激光焊接件的接头性能，减少焊缝中存在的缺陷，可通过实验设计、 填丝填粉、辅助复合焊接等来解决。其中实验设计被广泛应用于实验参数的优化， 它是以数理统计和概率论为理论基础，合理安排实验的一种方法论。k y b e n y o u n i s 、o l a b i 八g 等阳1 把用于优化焊缝形状及机械性能的实验设计方法划分为7 类：( 1 ) 线性回归( 2 ) 析因设计( 3 ) 响应曲面法( 4 ) 田口方法( 5 ) 人工神经元 网络法( 6 ) 两种方法的结合( 7 ) 其他方法。 其中，日本质量专家田口玄一在上世纪5 0 年代提出田口方法。此方法能使用 了直角表设计，在不增加成本的前提下，通过优化工艺参数，使实验最小化以达 到提高质量的目的。国外一些研究也都利用田口方法进行工艺参数的优化，得到 较好结果。2 0 0 6 2 0 0 8 年间，a g0 l a b i 、e m a 皿a w a 、a qo l a b i 、e m h 弱s 柚 等人利用田口方法优化了钢材的激光焊接参数对异种焊接件韧性、残余应力、焊 4 江苏大学硕士学位论文 缝形貌等的影响射。 激光焊接大多数情况下是非填丝自熔焊接，但单独的激光自熔焊接对工件坡 口精度要求很高，对于一些同种或异种金属的焊接很难满足其焊缝的性能，为此 人们提出激光填丝焊接技术。其中应用较成功的是激光填丝钎焊技术，最早在德 国杯提出，现在广泛应用于大众汽车的新一代汽车生产中。我国哈尔滨焊接研究 所在大功率固体激光的焊接方面做了大量研究工作，并利用激光填丝技术成功解 决了1 c r l 7 n i 2 与3 8 c r m o a l a 异种钢的焊接问题。 激光焊接的优势已众所周知，但其成本较高，因此以激光为核心的复合热源 焊接技术随之而生。激光一电弧复合热源焊接技术以其能有效利用电弧热源减小激 光应用成本、降低激光焊接装配精度等优势，成为国内外备受推崇的研究热点。 欧美、日韩、澳大利亚及俄罗斯等国家近年来都投入大量资金人员来开展激光一 电弧复合热源焊接技术的研究。目前，其研究热点聚焦在激光一电弧复合热源的 焊接工艺方面，积累了较多工艺经验，并已应用在实际生产中。1 9 9 8 年，美国采 用c 仉激光一电弧复合热源焊接技术有效解决了接缝错边和对接装配误差对激光 束的影响，实现了薄板的快速拼焊。1 9 9 9 年，德国m e y e r 船厂经将激光一电弧复 合热源焊接技术首次应用于豪华游轮的钢板组件焊接生产线 与此同时，大众汽 车和奥迪汽车都相继将此种方法应用在高档铝合金轿车的焊接生产当中。2 0 0 2 年 欧盟为了提高造船效率、降低成本问题，启动d o c k l a s e r 项目，多国联合攻关， 开展了激光一复合热源焊接技术在造船业中的研究。目前，国外0 s a k a 大学、英 国的t w i 、德国的a a c h e n 大学、b r a u n s c h w e i g 大学、美国的e w i 及丹麦的t e c h n i c a l 大学等很多研究机构都经将激光一复合热源焊接技术的开发作为研究重点。 由于激光一电弧复合热源焊接技术是近些年才逐渐被重视起来的，目前我国 和国外在该技术方面的研究和应用差距并不很大。国内研究激光一电弧复合热源 焊接技术的机构以研究所和高等院校为主，如天津大学、华中理工大学、哈尔滨 工业大学等都开展了该项技术的研究。 对于激光焊接而言，无论是性能优越的激光器还是新的激光焊接方法，达到 更好的焊接质量是尤为重要的，在深熔焊焊缝成形的过程中，匙孔扮演着极其重 要的角色，所以匙孔问题一直是研究的热点问题n 蝴1 。而匙孔的形成过程会导致有 焊接缺陷气孔问题，目前铝合金激光焊接的气孔问题尚未弄清楚。一般认为在冷 5 2 0 2 4 薄板铝合金激光拼焊工艺参数优化及电化学腐蚀性能研究 却过程中h 的溶解度急剧下降形成氢气孔；激光束引起熔池内金属波动匙孔不稳 定，熔池金属紊流生成气孔；熔点低的合金元素蒸发导致气孔2 埔1 。 1 2 2 激光焊接有限元模拟研究现状 国外关于焊接热过程的分析研究始于2 0 世纪3 0 年代，1 9 4 1 年h h 雷卡林和 d r o s e n t h a l 等汹1 利用移动热源分析了焊接热循环过程，经过一系列研究后用解析 法推导出一整套计算公式。前苏联科学院院士k a l i i l 疆刀系统的研究了焊接过程中的 传热问题，建立起焊接传热学的理论基础。但由于他有些假设与实际焊接情况不 完全符合，因此所得到的值与实际测定存在一定偏差，特别是在熔池附近区域误 差较大，而该区域又恰好是研究者最为关注的地方。1 9 7 5 年，加拿大的h i b b e n 和 p a l e y 利用有限元法分析研究焊接温度场，编制了可用于分析非矩形截面的焊接 温度场计算程序，1 9 7 6 年l ( r u t z 汹1 进一步利用焊接温度场来模拟接头强度。此外， 还有其他学者针对具体焊接方法提出一些瞬态温度场分析模型，其中a m a t e 她和 s o n t i 跚3 提出铝合金激光深熔焊接热流三维有限元模型；而t e w a l l 利用三维有限 元模型对气体保护焊的瞬态温度场进行了分析；印度s u b o d h 等人b 运用熔滴过渡 不稳定收缩和状态力平衡这两种理论，在建立气体保护焊三维有限元模型的基础 上研究了焊缝的熔深特性。为了对焊接过程中的瞬态温度场作进一步分析，在非 线性热传输分析中，美国人b a t h e 陴慨考虑了熔池表面的辐射传热、热传导以及对 流等边界条件，又考虑了固态熔化时产生的相变潜热问题，推导出了较为全面的 热平衡方程。 相比国外，国内对焊接热分析的研究起步较晚。1 9 8 1 年西安交通大学唐幕尧 等人首先使用有限元法分析了薄板准稳态焊接温度场；上海交通大学也在热传导 数值分析方面做了大量工作，建立了焊接温度场的有限元计算模型，编制出了相 应程序，并对脉冲t l g 焊接温度场等问题进行了成功分析一1 ：此后，唐慕尧、蔡 洪能等人在研究t l g 焊接过程中，建立了运动电弧作用下的三维焊接温度场计算机 数值分析模型，并引入热焓概念及表面双椭圆分布热源模型，编制了相应程序， 模拟出1 r i g 焊接熔池的形状、尺寸以及热影响区的温度场分布，计算精度较高，计 算结果与实验测定吻合较好1 ；西安交通大学的段权、张新国等人汹3 利用有限元 法研究了焊接接头的非线性热传导问题，绘制出焊接热循环曲线。国内汪建华等 6 江苏大学硕士学位论文 人和日本大阪大学建立合作，利用有限元分析，较为深入的研究了三维焊接温度 场问题，为探索焊接温度场的特点和提高计算精度开辟了若干途径，并且利用有 限元对几个焊接实例进行了三维焊接热传导模分析旧7 删。目前，国内外关于铝合金 焊接过程的数值模拟已开展了较多的研究工作，文献h 利用有限元方法分析了1 1 g 焊接过程中的接头残余应力场分布。文献h 习系统研究了电子束焊接过程中的温度 场和应力场，并通过实际试验加以验证，与模拟结果基本吻合。有关研究表明， 要获得与实际实验较为接近的数值模拟结果，必须针对特定的焊接条件选择适当 的有限元模拟方法，才能获得满意效果，最大程度的发挥数值模拟的优越性。 1 2 3 铝合金焊件腐蚀研究现状 2 0 世纪9 0 年代，人们对于利用激光科技实现铝合金表面抗腐蚀性能的研究兴 趣与日俱增。这些科技包括激光表面熔融和表面添加合金技术h 甜。2 0 0 5 年，s r k o t e s w a r ar 1 研究了2 2 1 9 铝合金的电子束焊接和钨极氩弧焊，得出焊缝中的铜 晶界偏析对于焊接金属的腐蚀行为有重要影响，与g t a 焊相比，e b 焊有更好的 抗腐蚀性能。e b 和g t a 点蚀电位值分别是4 8 5 、6 0 6 m v ，这是两者之间很重要的 区别，主要原因是铜在g t a 焊接头以共晶相的形式扩散到颗粒边界。2 0 0 6 年， n i z 锄e t 锄勋h a m 柚h 副研究了金属t i 一6 御一4 v 和板的爆炸焊接，实验表明焊 接接头在腐蚀试验的开始阶段材料损失很多，但是后来材料耗损率就降低了。另 外，随着爆炸载荷增加变形增大会增加腐蚀试验中的材料损失。2 0 0 8 年，s t e f a n 0 m a g g i o l i i l o ，c h i a r as c h m i d 等人m 1 研究了6 系铝合金的搅拌摩擦焊和金属惰性气体 焊，因为两种焊接的机理不同，所以研究腐蚀部位有所不同，对于搅拌摩擦焊而 言，研究区域是焊缝和远离焊接区的母材，对于金属惰性气体焊来说则是母材、 母材与热影响区的界面、热影响区和焊缝的界面以及焊缝。实验结果表明关于抗 腐蚀性f s w 比m i g 效果好，对f s w 而言在研究区域没有发现有多大腐蚀效果， 但是对于m i g 则相反，腐蚀多发生在热影响区周围的边界，且界面低面积延展会 增加腐蚀速率。2 0 0 9 年，d a - q u 孤z h 锄g j i nu ，h y u n gg o u nj 0 0 ，k a n gy 0 n gl e e “7 1 等人研究了从6 0 6 1 铝合金的激光气体金属电弧焊接，认为焊接熔融区析出相的 增加加大了电位腐蚀导致了点蚀和裂纹在熔融区的恶化。晶间腐蚀成核于h 气 孔壁，并延其扩展。当沿着颗粒边界产生气孔时，就会发生晶间腐蚀。2 0 1 0 年， 7 2 0 2 4 薄板铝合金激光拼焊工艺参数优化及电化学腐蚀性能研究 a t k c 咖a n i d i s a d z c n r 越，g n h a i d e m e n o p o u l o s ，s p g 等人啪1 研究了2 1 3 9 铝合 金激光焊，评估了时效处理( 温度) 和腐蚀对于激光焊件疲劳性能的影响。实验 表明，1 r 3 和t 8 条件下的主要区别是晶粒边界偏析物不同。而焊缝点蚀原因是在 晶间腐蚀后，局部腐蚀以出现大量点蚀坑的形式发生在部分熔融区，这种腐蚀发 生的原因是由于在焊缝和热影响区的界面形成了局部电位腐蚀；母材腐蚀原因则 因于晶界偏析，其增加了晶间腐蚀的灵敏性。偏析构成和临近晶界的母体中的铜 损耗有关，研究表明晶界中的铜损区相对于铜密集区来说构成阳极，这就促进了 晶间腐蚀。并在疲劳实验中，找出了疲劳裂纹的初始区，分析了腐蚀位置和焊缝 微结构之间的关联，揭示了温度对于腐蚀控制的关键作用。对于航天器上铝合金 的应用，选取合适的温度条件，有利于控制焊接件的腐蚀行为。另外材料温度和 腐蚀表面膜的有利结合能使腐蚀最小化。对于激光焊接铝合金腐蚀方面的研究， a b m m u i i b 眦r a l 吼a i l a ，s k h m a u r a a r g e r s o n 等人惭1 1 在2 0 0 6 2 0 1 0 年间研究了 删6 1 铝合金的激光焊接的电偶腐蚀行为，提出了微结构和非均质结构会导致大 幅强化腐蚀。实验结果很明显，电化学腐蚀主要依靠焊接熔融区氧气的供应。因 此，在焊接熔融区阴极进程也就是速率控制进程。在电化学腐蚀中，母材腐蚀电 位向阳极方向移动，而焊接熔融区腐蚀电位向阴极方向移动。表面膜的持续溶解 导致了熔融区的金属损失和金间相的积累。浸在3 5 叭氯化钠溶液中的a a 6 0 6 1 电位腐蚀时效增加不能归因于电子隧道效应，因为氧化层太厚，也不能说是表层 氯离子的作用，因为根本没有发现它。研究表明熔融区腐蚀特性和表面氧化层硅 酸盐密度增加有关，这就导致了离子或p 型半导体电导率和金间相密度、表面积 的增加。 目前国内关于铝合金焊接接头性能的研究已经很多，主要聚焦于焊接接头组 织、力学性能、残余应力数值模拟等，而涉及在特定环境( 大气、海水或特殊环 境下) 下腐蚀失效的研究报道却很少，激光焊接铝合金的腐蚀性研究就更少了。 中科院金属研究所的何跃、郑玉贵等人哑1 对较为系统的研究了2 2 1 9 焊接接头在氯 化钠溶液中的局部腐蚀敏感性，其中焊接接头包括及其采用进口的e l 滋1 9 焊丝和 自制焊丝所焊的接头。他们采用浸泡试验、电化学循环阳极极化、慢应变速率、 扫描电镜等方法研究了2 2 1 9 高强c u 合金焊接接头在3 5 n a c i 溶液中的点蚀 和应力腐蚀敏感性，得出两种焊丝的熔敷金属抗点蚀能力在焊态下比较接近，但 8 江苏大学硕士学位论文 相比于2 2 1 9 铝合金母材较差，且这两种焊丝所焊接头对应力腐蚀的敏感性也比较 接近。同时在开路电位下这种合金的应力腐蚀机理为阳极溶解型，贫铜区为产生 应力腐蚀的活性通道，应力腐蚀的裂纹往往萌生于点蚀孔。北京工业大学的林江 波对多种焊接方法下的铝合金焊接接头力学性能与抗应力腐蚀性能的对比试验 进行了研究，提出了焊接接头的抗应力腐蚀性能与焊接方法相关性的证据。大连 交通大学的赵亚东阻1 通过质量法( 室温静态失重) 、动电位极化曲线、e i s ( 电化学交 流阻抗) 、s e m 表面形貌观察等方法对同种以及异种铝合金搅拌摩擦焊缝在室温 o 2 m o l l n a h s 0 3 + 0 6 m o l l n a c l 溶液中的电化学腐蚀行为进行了较为详尽的研究。 实验选择了不同工艺参数下的铝合金摩擦搅拌焊焊缝和母材，对它们的电化学腐 蚀行为进行对比研究。并扩大其研究范围，通过与m i g 焊缝的电化学腐蚀行为做 对比，更迸一步体现铝合金搅拌摩擦焊的技术优势。天津大学的刘杨两1 对a 7 n 0 1 s 铝合金焊接接头的应力腐蚀开裂行为进行研究，包括应力腐蚀开裂的影响因素， 应力腐蚀的机理等，文中主要从焊接工艺角度对应力腐蚀试验结果进行分析，同 时讨论晶界z n 偏析及氢脆对其应力腐蚀性能的影响。天津医科大学的胡欣嘲1 对体 外模拟口腔环境中，激光焊接钻铬镍铬合金离子释出及耐蚀性能改变进行了研究， 进而对钴铬镍铬异种合金激光焊接后的生物相容性进行评价，为其合理、安全的 临床应用提供重要的理论依据。 1 3 本课题主要研究内容 本文利用n d ：y a g 激光器对厚为0 5 姗的舢c u m g 系2 0 2 4 铝合金薄板进行 激光焊接实验。通过正交实验研究了影响焊缝质量的因素，优化了激光焊接工艺 参数，并基于a n s y s 建立高斯热源模型，利用a p d l 语言编程实现热源的移动加 载，从而对焊接温度场进行动态模拟，得出温度分布，最后进行温度场和焊缝宽 度测量。对比表明，实验数据和模拟结果吻合较好。另外，在此基础上对焊件焊 缝、热影响区和母材区域进行了电化学腐蚀试验研究，测得动电位极化曲线和阻 抗图谱，结合静态腐蚀失重试验和金相进行对比，研究表明，同一试件下无填充 材料下的2 0 2 4 铝合金激光焊接件的抗腐蚀性能焊缝、母材、热影响区依次升高， 不同试件之间焊缝抗腐蚀性能随激光功率和能量增大而逐渐降低，热影响区趋势 一致。 9 2 0 2 4 薄板铝合金激光拼焊工艺参数优化及电化学腐蚀性能研究 第二章实验理论基础 2 1 激光焊接的理论基础 激光的产生原理是利用原子受激辐射，即工作物质受激发而产生的方向一致、 波长均一以及强度很高的光束，称之为激光。激光主要有四大特性：高亮度、高 单色性、高相干性和高方向性。激光在材料加工领域已经得到了广泛的应用。 激光焊接原理是利用激光器产生的能量聚集到1 0 5w 伽2 以上能量密度的高 强度激光束，作用于焊接件焊缝，光能被焊缝吸收转变为热能，致其金属熔化后 冷却结晶形成接头。 激光焊接实际的过程非常复杂，微观上是一个量子过程，而宏观上表现为吸 收、反射、加热、熔化、气化等现象田1 。 2 1 1 激光与材料之间的相互作用 激光加工金属材料主要基于光热效应的热加工，在不同功率下，激光辐射材 料表面会使材料表面区域发生各种不同变化，这里包括表面温度升高、熔化、汽 化、匙孔形成和产生光致等离子体等。而且，材料表面物理状态的变化很大程度 上影响材料对激光的吸收。伴随着功率密度和作用时间的增加，金属材料将会发 生下面几种物态变化，如图2 1 所示嘲1 。 1 0 些些 鬲矛蹶刃 a bc d a 固态加热b 表面熔化c 表面熔化，形成增强吸收等 离子体云d 形成小孔及阻隔激光的等离子体云 图2 1 金属材料受激光辐射时的几个主要物理过程 f i 孚2 1s e v e m im 咖rp h y s i c a ip m 潞懿i f lt l i cl 墩r 豫d i a d o no f 腓叫c 衄t c r i a l s 江苏大学硕士学位论文 激光功率密度较低( 1 0 6 锄2 ) ，加长作用时间，材料表面不仅熔化， 而且会汽化，汽化物聚集在材料表面附近，并微弱电离形成等离子体，这种稀薄 的等离子体有利于材料对激光的吸收。在汽化膨胀的压力下，液态表面变形，生 成凹坑。这一阶段可以用于激光焊接。 再进一步增加功率密度，延长辐射时间，材料表面汽化强烈，形成较高点力 度的等离子体，此种致密等离子体可逆着光束入射方向传输，对激光起到屏蔽作 用，大大降低了激光入射到材料内部的能量密度。在较大的蒸汽反作用力下，金 属内部熔化形成小孔，通常称为匙孔，其存在有利于材料对激光的吸收。这一阶 段可用来激光深熔焊、打孔和切割、冲击硬化等。 2 1 2 影响激光吸收率的因素 金属对激光的吸收与波长、材料性质、温度、表面状况、偏振特性等一系列 因素相关，现分别讨论如下。 波长的影响：图2 2 是常用金属在室温下的反射率和波长的关系曲线。在红外 区，近似的有aa c 方 2 ，随波长的增加，吸收率减小，反射率增大。大部分金属对 1 0 6 朋波长的红外光反射强烈，而对1 0 6 朋波长的红外光反射较弱。室温下部分 金属在几种特定激光波长下的反射率见表2 1 n 1 。 反 射 率 波长v l i m 图2 2 金属反射率与波长的关系 f 培2 2r e l a t i 伽s l l i po fm e t a lr c n c c t i v i l y 柚dw a v e l e n g t l l 从表2 1 可以看出，绝大多数情况下，室温下铝在几种特定激光波长下的反射 率相对其他两种金属较小。 表2 1 室温下部分金属在几种特定激光波长下的反射率 m l e2 1r e d e c t i v i t i 骼o fp a no f t h em e t a li n v e r a ls p e c i 6 cl a rw a v e l e n 舒ha tm o mt e i n p c r a t l l 他 温度的影响：材料对激光的吸收率随着温度的升高而增大。金属材料在室温 时的吸收率都很小，当温度升高到接近熔点时，吸收率可达到4 0 5 0 ，如温度 接近沸点，其吸收率高达9 0 。 在不同光波波段内，吸收率和温度的关系表现出不同的趋势。当z 2 朋时，吸收