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铝合金镀锌钢激光熔钎焊数值模拟及工艺参数优化摘要使用轻质材料实现汽车减重的同时，必然涉及到钢铝异种金属的连接。由于钢铝固溶度低，物理、化学性能差异明显，f e a l 脆性金属间化合物易生成并影响接头性能，而激光熔钎焊工艺使铝熔化，而钢母材不熔化或少量熔化，依靠液态铝在钢母材上良好的铺展性和液态铝和固态钢板相接触的熔池区域发生的热扩散作用，来实现熔池凝固时形成良好的焊接接头，激光熔钎焊成为抑制或减少f e a l 脆性金属间化合物产生最有效的工艺方法。本文以汽车车身用6 0 1 6 铝合金与镀锌钢为研究对象，采用数值模拟技术研究了激光熔钎焊条件下工艺参数的改变对熔池形状、焊接熔深的影响，探索了基于人工神经网络优化激光熔钎焊工艺参数的方法，开展了铝钢激光熔钎焊的验证试验，并对焊缝形貌、焊接接头各区域的金相组织、显微硬度、主要元素分布与物相组成等进行了分析，研究结果期望为激光焊接多材料车身结构提供重要的理论指导和技术支持。建立了铝钢激光熔钎焊熔池形状的数学模型，根据熔池形状准稳态控制方程，在m a t l a b 软件平台下编写了计算程序，采用固液相界面的轮廓表征了焊接时的熔池形状，基于激光熔钎焊时焊接熔池固液相界面和气液相界面轮廓形状的计算，获得了熔池的几何形状分布，研究了工艺参数的改变对熔池形状的影响。建立了铝钢激光熔钎焊温度场的数值计算模型，采用小步距跳跃式的移动热源模拟激光束的连续照射，编写v c + + 程序语言，在p r o c a s t 商业软件中加载自定义的外加平面分布的高斯激光热源模型，基于激光熔钎焊试样的温度场计算，获得了不同工艺参数条件下的焊接熔深，研究了工艺参数的改变对焊接熔深的影响。依据b p 神经网络优化理论，设计正交模拟实验，利用不同工艺参数组合下的焊接熔深数据作为训练样本，对b p 神经网络进行训练计算，建立了激光熔钎焊条件下焊接功率、焊接速度、离焦量与焊接熔深之间的非线性映射关系，仿真预测了各种工艺参数条件下的焊接熔深。基于熔池形状、焊接熔深的数值模拟计算，采用光纤激光器，对优化的焊接工艺参数进行了6 0 1 6 铝合金镀锌钢激光熔钎焊的验证试验，利用卧式金相显微镜、扫描电镜、x 射线衍射仪等手段研究了焊接接头各区域的金相组织、显微硬度、主要元素分布与物相组成。发现当焊接功率p = i6 0 0 18 0 0 w ，焊接速度v = 3 0 m m s ，离焦量d = 0 m m 时，焊缝成形性良好，无明显裂纹、气孔等缺陷，焊硕士学位论文接接头区域存在一个台阶状结构，平台区域，钢铝两钟金属存在明显的界限，界面结合依靠液态的铝在钢母材表面上的润湿、填充和铺展等作用；下凹区域，钢铝熔合较好，f e 和a l 元素的混合区宽度较大，未形成明显的f e a i 脆性金属问化合物，f e 和a l 的热扩散是该区域界面结合的主要原因。关键词：激光熔钎焊；金属间化合物；温度场；b p 神经网络i i ia b s t r a c ti nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y ，w h e nl i g h tm a t e r i a l sa r ec o n s i d e r e dt or e d u c ev e h i c l ew e i g h t ，t h ec o n n e c t i o no fs t e e la n da l u m i n u mm u s tb et a k e ni n t oa c c o u n t s t e e la n da l u m i n u ma r ed i f f e r e n ti np h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，a n dt h es o l i ds o l u b i l i t yo ft h e mi sv e r yl o w ，s os o m ef e a lb r i t t l ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d sw i l lf o r mt h e r e ，w h i c hw i l lo b v i o u s l yi n f l u e n c eo nw e l d i n gq u a l i t y i nt h ep r o c e s so fl a s e rw e l d i n g - b r a z i n g ，t h ew e l d i n gh e a ts o u r c eo n l ym e l t st h ea l u m i n u m ，w h i l es t e e lm a i n t a i n st h es o l i ds t a t eo rm e l t sl i t t l e t h ew e l dp o o ls o l i d i f i e sa n df o r m sg o o ds o l d e r i n g ，w h i c hr e l i e so nt h eg o o ds p r e a d i n gp r o p e r t yo fl i q u i da l u m i n u mo ns o l i ds t e e la n dt h et h e r m a ld i f f u s i o ni nt h ec o n t a c ta r e ao fl i q u i da l u m i n u ma n ds o l i ds t e e li nw e l d i n gp 0 0 1 l a s e rw e l d i n g - b r a z i n gi st h em o s te f f e c t i v ep r o c e s st oi n h i b i to rr e d u c ef e a ib r i t t l ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n ds 6 016a l u m i n u ma l l o ya n dz i n c - c o a t e ds t e e lw h i c hu s e di nv e h i c l e sb o d ya r et a k e na sa no b j e c to fs t u d yi nt h i sp a p e r b ym e a n so ft h et e c h n i q u e so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ei m p a c to fc h a n g e so fp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ew e l dp o o ls h a p ea n dw e l dp e n e t r a t i o ni ss t u d i e dd u r i n gl a s e rw e l d i n g - b r a z i n g m o r e o v e r ，b a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，am e t h o do fo p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r so fl a s e rw e l d i n g b r a z i n gp r o c e s si se x p l o r e d b e s i d e s ，t h ev e r i f i c a t i o nt e s t so ft h ea l u m i n u m s t e e ll a s e rw e l d i n g b r a z i n ga r ed e v e l o p e d ，a n dt h ew e l dm o r p h o l o g y ，m i c r o s t r u c t u r eo fw e l d i n gj oi n t si na l lr e g i o n s ，m i c r o h a r d n e s s ，m a j o re l e m e n td i s t r i b u t i o na n dm a t e r i a lc o m p o s i t i o na r ea n a l y z e d t h er e s u l t sa r ee x p e c t e dt op r o v i d ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rl a s e rw e l d i n go fm u l t i - m a t e r i a lv e h i c l eb o d y am a t h e m a t i c a lm o d e lo f w e l dp o o li nl a s e rw e l d i n g b r a z i n go fa l u m i n u ma n ds t e e li se s t a b l i s h e d ac a l c u l a t i o np r o g r a mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h eq u a s i s t e a d ys t a t ec o n d i t i o no fw e l d i n gp o o ls h a p e t h es o l i d l i q u i dp h a s ei n t e r f a c ei su s e dt od e s c r i b et h ew e l d i n gp o o ls h a p e t h ed i s t r i b u t i o no fg e o m e t r ys h a p eo fw e l d i n gp o o li so b t a i n e db a s e do nt h ec a l c u l a t i o no fs o l i d l i q u i di n t e r f a c ea n dl i q u i d v a p o ri n t e r f a c eo fl a s e rw e l d i n g - b r a z i n g i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo fc h a n g e so fp r o c e s sp a r a m e t e r so nw e l d i n gs h a p ei ss t u d i e d an u m e r i c a lm o d e lo ft h et e m p e r a t u r ef i e l df o rl a s e rw e l d i n g b r a z i n gi se s t a b l i s h e d a n das m a l ls t e pm o v i n gh e a ts o u r c ei su s e dt os i m u l a t et h ec o n t i n u o u si vi r r a d i a t i o no fl a s e rb e a m b e s i d e s ，au s e r d e f i n e dh o r i z o n t a ld i s t r i b u t i o ng a u s s i a nh e a ts o u r c em o d e li sl o a d e di np r o c a s ts o f t w a r eb yv c + + p r o g r a m b a s e do nc a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l df o rl a s e rw e l d i n g b r a z i n g ，w e l d i n gp e n e t r a t i o n su n d e rd i f 伦r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d a n dt h e n ，t h ei n f l u e n c eo fc h a n g eo fp r o c e s sp a r a m e t e r st ow e l d i n gp e n e t r a t i o n si ss t u d i e d o r t h o g o n a ls i m u l a t ee x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e db a s e do nb pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k t h i sn e t w o r ki st r a i n e db yt h es a m p l eo fw e l d i n gp e n e t r a t i o n su n d e rd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s t h en o n l i n e a rm a p p i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nw e l d i n gp e n e t r a t i o n sa n dw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha sw e l d i n gp o w e r ，w e l d i n gs p e e da n dd e f o c u s i n ga m o u n t ，i so b t a i n e d a n dw e l d i n gp e n e t r a t i o n su n d e rd i f f e r e n tw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa r es i m u l a t e da n dp r e d i c t e db a s e do ns i m u l a t i o n so f m o l t e np o o la n dw e l d i n gp e n e t r a t i o n s ，w i t hf i b e rl a s e r ，v e r i f i c a t i o nt e s t so fl a s e rw e l d i n g b r a z i n go f6 016a l u m i n u ma l l o ya n dz i n cc o a t e ds t e e lu n d e ro p t i m i z e dp r o c e s sp a r a m e t e r sa r ec a r r i e do u t w e l d i n gs p e c i m e na r et e s t e db yh o r i z o n t a lm e t a l l o g r a p h i cm i c r os c o p y ( h m m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e( s e m la n dx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) w h e nt h ew e l d i n gl a s e rp o w e rr a n g e sf r o m16 0 0 wt o18 0 0 w ，w e l d i n gs p e e di s3 0m i l l i m e t e rp e rs e c o n d ，a n dt h ed e f o c u s i n ga m o u n ti s0m i l l i m e t e r ，w e l d i n gs e a mi sf o r m e dw e l l t h e r ei sn oo b v i o u sc r a c k s ，h o1 e sa n do t h e rd e f e c t s a n das t e p l i k es t r u c t u r ea p p e a r si nt h ea r e ao fw e l d i n gs e a m i n t h i sa r e a t h e r ei sac l e a rb o u n d a r yb e t w e e ns t e e la n da l u m i n u m t h ei n t e r f a c ei sf o r m e db yt h ew e t t i n g ，f i l l i n ga n ds p r e a d i n gf u n c t i o n so fl i q u i da l u m i n u mo ns t e e lb a s em a t e r i a l i nt h ec o n c a v er e g i o n ，s t e e la n da l u m i n u mf u s ew e l l ，t h em i x i n ga r e aoff ee l e m e n ta n da ie l e m e n ti sv e r yw i d e ，t h e r ei sn oo b v i o u sf e a lb r i t t l ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d ，a n dt h em a i nr e a s o nf o ri n t e r f a c eb i n d i n gi st h e r m a ld i f f u s i o nb e t w e e nf ea n da 】k e yw o r d s ：l a s e rw e l d i n g - b r a z i n g ；i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；b pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kv硕士学位论文插图索引图1 1 汽车车重与平均油耗的关系1图1 2 汽车轻量化工程的实施方法2图1 3 激光深熔焊接小孔示意图3图1 4l a u k a n t 等人实验的焊缝横截面图一6图1 5d h a r m e n d r a 等人实验的焊缝横截面图7图1 6m a t h i e u 等人的实验装置和焊缝横截面图8图1 7 兰天等人的焊接示意图和接头形貌图9图1 8s u d n i k 等人计算中的液体回流1 l图1 9 韩国明等人的有限元模型1 2图1 1 0 韩国明等人的计算结果1 3图1 1 1 雷永平等人的计算结果1 3图2 1 铝钢激光熔钎焊几何形状示意图1 6图2 2 熔池分界面示意图17图2 3 激光熔钎焊熔池特性的计算流程图2 0图2 4 相界面剖面图2 2图2 5 相界面三维立体图2 2图2 6 相界面等高线图2 2图2 7 熔池形状随激光功率的变化和熔深和熔宽随功率的变化2 4图2 8 熔池形状随焊接速度的变化熔深和熔宽随焊接速度的变化2 5图2 9 熔池形状随光斑尺寸的变化熔深和熔宽随光斑尺寸的变化2 6图3 1p r o c a s t 软件数值模拟计算流程图3 0图3 2 激光光斑照射加载示意图3 2图3 3 己划分好网格的试样三维模型3 3图3 4 三维模型中加载空冷边界条件的区域3 3图3 5 三维模型中激光光斑热流的加载区域3 3图3 6 三维模型中对称性边界条件加载区域3 4图3 7 铝热物性参数随温度的变化3 4图3 8 钢热物性参数随温度的变化3 4图3 9 激光照射起始时试样温度分布3 6图3 1 0 激光照射0 1s 时试样温度分布3 6图3 1 1 试样表面取点示意图3 7图3 1 2 试样深度方向各节点温度随时间变化示意图3 8铝合金镀锌钢激光熔钎焊数值模拟及工艺参数优化图3 1 3 熔池深度随焊接激光功率的变化曲线3 9图3 1 4 熔池深度随焊接速度的变化曲线3 9图4 1b p 神经网络拓扑结构4 5图4 2b p 神经网络学习计算流程图4 6图4 3 激光熔钎焊工艺优化神经网络结构4 8图4 4b p 神经网络学习训练中误差下降曲线5 2图4 5b p 神经网络训练样本值与仿真值的比较关系图5 3图4 6b p 神经网络测试样本值和仿真值的比较关系图5 4图4 7 基于人工神经网络的激光熔钎焊工艺优化流程图5 5图5 1 激光焊接设备5 8图5 2 焊接机器人5 9图5 3 激光焊接夹具5 9图5 4 激光焊接现场示意图6 0图5 5 钢铝激光熔钎焊装夹方式6 0图5 6 铝钢激光焊接的焊缝成形性6 2图5 7 铝钢激光焊接焊缝形貌6 3图5 8 试样横截面的焊缝形貌6 3图5 9 铝钢激光焊接头的显微组织6 4图5 1 0 铝钢激光焊接接头焊缝线扫描位置及结果6 4图5 1 1 铝钢激光焊接头相结构的x 射线衍射图6 5图5 1 2 铝钢激光熔钎焊接头显微硬度6 5图5 1 3 钢铝激光焊接接头形成的f e a l 金属间化合物6 6x硕士学位论文附表索引表1 1 激光焊接与传统焊接工艺的比较5表2 1 钢和铝的热物理性能参数2 l表3 1 各节点距试样上表面位置3 8表4 1 优化变量的选取范围4 3表4 23 因素5 水平的工艺参数4 3表4 3 正交实验数据4 4表4 4b p 神经网络的训练样本4 9表4 5b p 神经网络的归一化训练样本5 0表4 6b p 神经网络的测试样本5 1表4 7b p 神经网络的归一化测试样本5 1表4 8b p 神经网络训练样本值和仿真值的比较5 3表4 9b p 神经网络测试样本值和仿真值的比较5 4表5 1d c 5 6 d + z f 镀锌钢的化学成分5 7表5 26 0 1 6 铝合金的化学成分5 7表5 3y l r 4 0 0 0 一c w a 激光器主要技术参数5 8表5 4a b b 工业机器人主要特性参数5 9表5 5 钢铝激光熔钎焊工艺参数：6 1硕士学位论文第1 章绪论1 1 汽车轻量化与车身板材1 1 1 汽车轻量化概述汽车已经成为国家国民经济发展的支柱产业，汽车行业可以为社会提供巨大的生产价值和就业机会，同时还可以带动和影响其它多个行业。可以说，汽车行业代表一个国家的整体经济水平。但是，新时期汽车工业的发展也面临着安全、节能、环保三大主要问题，如何解决这三大问题成为汽车行业从业人员的紧迫任务。汽车轻量化是降低油耗，减少排放的最为有效的途径，如何减轻汽车重量、降低油耗与排放污染成为汽车工业发展所面临的重要问题。由图1 1 可知：汽车平均油耗与整车重量成正比关系。因此，汽车轻量化对减轻整车重量，提高燃油经济性，节能减排等有举足轻重的作用。作为汽车重要组成部分的汽车车身，其质量占了汽车总质量的3 0 4 0 ，空载时，约7 0 的油耗消耗在车身质量上【卜3 1 。因此，针对车身的轻量化研究成为汽车轻量化的重要组成部分。萋摹车童，i 【g图1 1 汽车车重与平均油耗的关系汽车轻量化还能有效改善整车性能。首先，轻量化可以降低整车重心高度，能显著改善汽车行驶平顺性。同时还能改善汽车的加速性能和弹性性能，降低转动和振动部件的噪声，提高汽车抗侧翻能力。其次，汽车轻量化可以显著提高汽车被动安全性，汽车重量减轻将有效缩短刹车距离，减少碰撞惯性，提高汽车碰撞安全性。再次，汽车轻量化能有效减少汽车的滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力等，为实现汽车的大功率创造了有利条件。综上所述，汽车轻量化是节能减排、提高燃油经济性和改善汽车性能的基本途径【4 1 。汽车轻量化工程的具体实施方法如图1 2 所示，选定轻量化目标的前提后，从3 个方面进行轻量化工程实施。包括：工程的优化设计；先进制造技术；轻量化新材料的应用。其中，在采用先进的高强度轻量化材料方面，主要的轻量化新铝合金镀锌钢激光熔钎焊数值模拟及工艺参数优化材料为高强度钢、铝合金和镁合金等。最终达到开发时间短、成本低，白车身性价比最优的目标【5 1 。其中，比较广泛应用的车身轻量化材料就是铝合金和镀锌钢。图1 2 汽车轻量化工程的实施方法1 1 2 铝合金与镀锌钢铝是自然界存在最为广泛的元素之一，在地壳中的分布量仅次于氧和硅，居第三位。纯铝密度小，大约是铁的1 3 ，熔点也较低。且是面心立方结构，具有很高的塑性，易于加工，可制成各种板材、型材。但是纯铝强度低，不宜做结构材料。人们在铝中加入合金元素及运用热处理的方法来强化铝，得到一系列铝合金。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有良好的导电性、导热性和抗腐蚀性，工业上应用广泛。汽车车身中主要应用的是6 0 0 0 系的可热处理强化铝合金，该系铝合金强度适中，冲压成型性能好，耐腐蚀性能好，容易涂装着色，具有优良的综合性能。其中6 0 l6 铝合金在t 4 状态时，具有比较低的屈服强度，冲压成形性能优越，可以与5 0 0 0 系铝合金中的5 1 8 2 o 相媲美。并且，这种铝合金在冲压成形过程中不会出现勒德斯线【6 1 。目前，欧洲国家多采用6 0 16 铝合金作为车身板材，例如车盖、行李箱盖、车门外覆盖件等1 7 1 。镀锌钢即表面镀有一层金属锌的钢板，钢板表面涂镀锌层可以防止表面遭受腐蚀而延长使用寿命。镀锌钢的_ 乇要特性就是耐腐蚀性好，其主要原因是因为有镀锌层。镀锌层的耐腐蚀机理主要表现舀j 两个方面：( 1 ) 镀锌层对钢铁基体起到物理屏障保护作用，通过把钢铁与腐蚀环境介质隔离开来达到防腐蚀的功效。同时，镀锌钢板表面在腐蚀过程中所生成的腐蚀产物膜和表面锌层的氧化物膜也能够阻止腐蚀的进一步进行：( 2 ) 镀锌层对钢铁基体可以起到电化学保护的作用。在常见的腐蚀介质中，锌对于钢铁是阳极，对因划伤、碰撞而裸露出的钢基，热镀锌层可作牺牲阳极保护作用。在现代工业生产中，镀锌钢板的应用范围越来越广。大量应用于汽车制造业、硕士学位论文建筑业、通风和供热设施及家具制造业等领域。而在汽车制造业中应用最广泛，它能显著降低故障率并大幅度提高汽车使用寿命。各种牌号的普通镀锌钢、高强度镀锌钢和超高强度镀锌钢都在汽车工业中得到了很好的应用。镀锌钢在保证结构强度的前提下大大提高了抗腐蚀性能，在汽车制造中占重要地位哺1 。1 2 激光焊接概述激光技术是2 0 世纪最重要的科技成就之一，它的出现，几乎对整个科技领域的发展都起了重大的改革和推动作用。激光具有亮度高、方向性强、单色性好、想干性好等优势，同时激光的空间控制性和时间控制性很好，容易获得尺度极小、超短脉冲的光斑，能产生极高的能量密度和功率密度，几乎能熔化任何金属和非金属物质，特别适合材料自动化加工，而且对加工对象的材质、尺寸、形状和加工环境的自由度都很大。目前常用的激光加工方法主要有1 9 1 ：激光切割：激光焊接：激光表面热处理；激光打孔；激光快速成型；激光微细加工等。其中激光焊接技术应用比较广泛。1 2 1 激光焊接原理激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能量密度焊接方法。具体来说，激光焊接是将激光束直接照射在材料表面上，通过激光与材料相互作用，使材料内部熔化实现焊接的。当功率密度大。j - 10 6 w c m 2 的激光照射金属时，可实现激光深熔焊接。焊接过程中，激光引起材料表面熔化和蒸发，当蒸发速率足够大时，蒸发所产生的高压蒸汽的压力足以克服液态金属的重力和表面张力，从而排开部分液态金属，激光作用区的熔池向下凹陷，形成小孔。金属蒸汽继续作用，迫使坑底的金属排向熔池四周，使小孑l 进一步加深。这个过程不断进行下去，最终就在熔池中形成一个小孔。当激光束在小孑l 中产生的金属蒸汽压力与液态金属的表面张力和重力达到平衡，小孑l 不再继续加深而形成一个稳定深度的小孔，这就是所谓的“小孑l 效应”i lo l 。激光深熔焊小孔机制如图1 3 所示。图1 3 激光深熔焊接小孑l 示意图但是，在进行异种金属激光焊接时，有时如果两种焊接母材充分熔融，混合铝合金镀锌钢激光熔钎焊数值模拟及工艺参数优化的金属熔液更容易发生物理和化学的相互作用，从而产生脆性物质影响焊接头性能。为了减少金属熔液之间的反应，提高焊接头质量。在焊接时控制热输入，从而控制焊接母材的熔化状态，使低熔点母材熔化，而高熔点母材保持固态。液态金属在固态母材表面铺展、润湿，凝固后形成良好的焊接头【1 1 】。由于这种焊接过程中异种金属熔液没有机会充分熔融、混合，不具备形成f e a l 金属间化合物的条件。从而有效抑制和减少了脆性金属间化合物的产生，提高了接头性能。1 2 2 激光焊接的特点与其它焊接方式相比较，激光焊接有以下优点【9 j ：l 、激光焊接速度快、深度大、变形小；2 、能在室温或特殊条件下焊接，焊接装置设备简单；3 、激光束聚焦后，功率密度较高，在高功率焊接时深宽比可达5 ：1 ，最高可达1o ：1 ；4 、可焊接难熔材料，如石英、钛等，并能对异型材料进行焊接，效果良好；5 、可以进行微型焊接，激光束经过聚焦后可形成很小的光斑，并能进行精确定位，可用于大批量生产微、小型元件的焊接中；6 、具有较大的灵活性，可焊接难接近的部位，可进行非接触远距离焊接；7 、激光束可按时间与空间分光，从而进行多工位加工及多光束同时加工，为更精密的焊接提供了条件。同时，激光焊接也存在一定的缺点：1 、焊接淬硬性材料时易形成淬硬接头；2 、合金元素的蒸发会导致焊缝出现气孔和咬边；3 、相对于其他焊接方法，成本较高；4 、对工件的装夹及激光束的精确调整要求相对较高。由上所述，激光焊接具有与传统焊接方式不同的特点，表1 1 列出了激光焊接与传统焊接方法性能特点的比较。1 3 异种金属激光熔钎焊研究现状随着汽车工业的发展及轻量化的要求，越来越多性能优良的轻质有有色金属被应用于汽车制造工艺中。这样，在实际工程中就不可避免地涉及到有色金属材料和钢的连接。在汽车工业中应用的比较多的有色金属材料就是铝合金。例如，大众汽车a u d ia 8 型轿车的车身外覆盖件是由铝合金板冲压成形的，而覆盖件与钢骨架的连接则通过焊接实现。硕士学位论文目前，钢材与铝材进行连接的主要方法【1 2 】有：粘接、机械连接( 铆接、螺栓连接等) 和焊接。其中，粘接得到的连接头机械强度有限，只能应用于一些低强度场合。机械连接虽然可以到达强度要求，但气密性无法保证，并且连接处会有连接痕迹，在一些表面要求高的场合无法应用。因此，焊接是异种金属连接的主要方式。但是，因为钢和铝物理化学性质的差异，钢铝焊接中还存在很多问题【1 3 】：l 、焊接头容易氧化。钢与铝合金焊接时，在铝母材和接头表面易形成难熔的氧化膜( a 1 2 0 3 ) 。这种氧化膜阻碍液态金属的接合，使焊缝易产生夹渣，力学性能降低。2 、焊缝成分不均匀。由于钢铝熔点和密度的差异，熔池冷却后焊缝成分不均匀。3 、焊接变形大。钢与铝的热导率、线膨胀系数相差较大，焊接时易产生应力，锚合金镀锌钢激光熔钎焊数值模拟及_ t 艺参数优化接头严重变形，甚至出现裂纹。4 、焊接头易产生裂纹。在钢与铝的焊接中，会产生各种金属间化合物。这会增大焊缝脆性，降低了焊缝的塑性和韧性，在应力作用下，易产生裂纹，甚至拉裂。激光焊接作为一种新型的焊接方式，热量集中，应力应变小，可以有效解决钢铝焊接中的很多问题。但是，激光深熔焊接工艺过程中，在焊接接头处易产生大量脆而硬的金属间化合物，连接性能较差。近年来，受钎焊启发而产生的激光熔钎焊技术不断发展，国内外许多学者进行了相关研究。德国拜罗伊特大学的l a u k a n t 等人【1 4 】用添加焊丝的方法实现了铝合金与镀锌钢的连接。试验中不添加钎料，采用两种形式的焊接接头：搭接接头和带有法兰的对接接头。在焊接过程中精确控制激光能量的输入，在镀锡钢板维持固态的情况下将铝合金板材熔化，熔化的铝合金和填充金属与镀锌钢板形成熔钎焊接头。实验材料为0 9 m m 厚的d x 5 6 d 和d c 0 4 镀锌钢板及1 1m m 厚的6 0 16 铝合金，实验中添加的焊丝为锌基锌一铝合金焊丝，焊丝中铝的质量分数为2 。图1 4 为焊缝横街面图。其中，图1 4 ( a ) 是焊接时的搭接接头，1 4 ( b ) 是焊接时带有法兰的对接接头。( a ) 搭接接头( b ) 带有法兰的对接接头图1 4l a u k a n t 等人实验的焊缝横截面图焊后对焊缝进行硬度检测，发现，焊缝区域硬度几乎与铝合金母材相当。对试样进行扫描电镜分析发现：焊接接头内部形成了金属问化合物，但其厚度很薄，厚度最大值小于5 m 。对金属间化合物成分做能谱分析发现：化合物主要以凡，爿的形式存在。对试样进行拉伸试验发现：搭接接头的断裂位置主要在热影响区，而对接接头的断裂位置主要在母材与焊缝连接的过渡位置。对试样进行疲劳试验发现：对接接头的疲劳破坏位置在铝母材与焊缝连接的过渡部分，搭接接头的疲劳破坏位置主要在靠近铝母材的后焊缝区。香港城市大学的d h a r m e n d r a 等人l l5 j 在激光焊接时加入焊接钎料，研究了镀6锌钢和销合金的激光熔钎焊。实验中运用n d ：y a g 激光器对0 7 7 m m 厚的d p 6 0 0镀锌钢板和1 2 m m 厚的a a 6 0 1 6t 4 铝合金进行焊接，使用焊接钎料为直径l m m的焊丝，焊丝成分为8 5 的z n 和1 5 的a l 。因镀锌钢表面有一层厚度为1 0 p m的镀锌层，且z n 和f e 和a l 都有良好的冶金亲和性，焊接中未添加焊剂。焊后焊缝横截面如图1 5 所示。图1 5d h a r m e n d r a 等人实验的焊缝横截面图焊后，对焊缝形貌进行观测，发现焊接过程中钢母材未熔化，而铝母材和焊接钎料熔化了，如图1 5 所示。液态的铝母材和钎料在钢母材上润湿、铺展，其润湿性能主要取决于润湿角。润湿角度越小，润湿性越好。当焊缝宽度为7 m m时，润湿角度最小达到3 5 0 。对焊缝区显微图片进行观察，发现在钢母材和焊缝相接触的区域有一层金属问化合物层，其厚度为3 2 3 9 m 。金属问化合物层的硬度主要取决于焊接工艺参数，焊接速度越快，化合物层越薄。e d s 分析发现发现金属问化合物层主要成分是4 8 a 1 、31 f e 和21 锌。金属问化合物层的硬度越为3 4 8 h v ，强于钢母材和焊缝的硬度。推测金属间化合物层主要是由液态金属盒钢母材之问的扩散作用形成的，并且首先形成f e 3a ，。对焊接头进行拉伸测试，试样的抗拉强度范围在8 0 2 5 0 n m m 之间。当焊缝区域金属问化合物层厚度小于8 9 m 时，抗拉强度随金属间化合物厚度增加而增加。厚度台：8 12 l a m 时，抗拉强度最火，此时断裂区域在母材。金属问化合物层厚度再增力l j ，抗拉强度反而下降。当金属问化合物过薄或过厚时，断裂区域都在焊缝位置。法国b u r g u n d y 大学的m a t h i e u 等人1 1 6j 利用n d ：y a g 激光器对a a 6 0 1 6 铝合金和低碳镀锌钢进行激光熔钎焊研究。实验中铝板弯曲9 0 0 ，钢板保持平直，将板材搭接，在铝板弯折区域添加焊8 8 的a i 和12 的s i 的a a 一4 0 4 7 焊丝。实验中选用的保护气体含有7 0 的氦和3 0 的氩。实验中采用两种钎料加入方式，一种是焊丝直接加入，一种是焊丝预热后加入。实验装置如图1 6 ( a ) 所示。焊后焊缝横截面如图1 6 ( b ) 所示。锚合金镀锌钢激光熔钎焊数值模拟发丁艺参数优化s t e e lp a r t( a ) 实验装置( b ) 焊缝横截面图i 6m a t h i e u 等人的实验装置和焊缝横截面图焊后，对两种工艺条件下的焊接头进行对比分析，结果发现，在冷焊丝填入的工艺下，焊缝中出现母材未熔融，并伴随有微裂纹存在。在预热焊丝填入的工艺下，熔池熔融良好，液态金属铺展均匀，焊缝成形良好。作者认为预加热焊丝工艺下焊缝成形更好的原因是焊丝加热以后，更容易被激光熔化，更容易填充焊缝。通过研究： 艺参数和焊丝预热温度对焊接性能的影响，运用实验设计法优化了焊接工艺参数。作者认为，焊接激光功率达到2 7 0 0 w ，焊丝预热电流为16 0 a时，焊接头的抗拉强度最大。通过对所有测试结果进行分析，作者认为焊接头中裂纹的出现与焊丝填充速度有关。以上研究人员的研究工作都是在激光焊接工艺中加入焊接钎料，实现钢和铝的激光焊接。这种工艺可以只熔化低熔点的铝母材和焊接钎料，而高熔点的钢母材保持固态，减少和避免了钢铝脆性金属间化合物的产生，能获得良好的接头。但送料设备复杂，同时钎料的加入对接头强度影响较大。德国不莱梅应用技术研究所的k r e i m e y e r 等人【l1j 利用c 0 2 激光器对铝合金和钛合金的激光焊接进行研究。实验材料为1 15 m m 厚的a a 6 0 16t 4 铝合金和o 8 m m厚的t i a l6 v 4 钛合金。实验中两种板材对接，激光照射在对接缝稍偏钛合金一侧，不添加钎料，激光能量加热钛合金，同过热传导使低熔点的铝合金熔化，液态铝铺展在同态钛合金上，形成熔钎焊接头。焊后对焊接头进行分析，发现接头【噩域存在一层厚度不超过2 1 a m 的金属问化合物层，且化合物层的厚度与激光功率成正比。在焊缝区域还发现了铝、钛和金属问化合物共存的三相区，且三相区的尺寸和激光热量输入成正比。通过对焊缝硕士学位论文区域进行e d x 分析发现，钛母材区t i 含量为9 9 2 6 ，铝母材区a l 含量为9 6 ，化合物区域t i 和a l 的含量分别为4 0 4 3 和5 8 4 7 。为研究钛铝焊接头的力学性能，对焊接头进行拉伸测试。结果表明焊缝抗拉强度能达到铝母材的8 0 。对断口进行扫描分析发现，断裂裂纹产生于铝母材热影响区，并深入到金属问化合物去，继续生长最终导致试样断裂。北京工业大学的兰天等人【1 7 i 利用3 5 0 0 w 板条式扩散冷却c 0 2 激光器对3 m m厚的6 0 1 6 铝合金和t c 4 钛合金进行一j ，激光焊接。焊接时两种板材对接，激光光斑作用于铝合金一侧，熔化的铝合金浸润在固态钛合金界面上形成钎焊接头。焊接时激光功率为3 5 0 0 w ，焊接速度4 m m i n ，偏角量o 4 m m ，离焦量0 m m ，光束偏转角0 0 。焊接实验装置如图1 7 ( a ) 所示，焊缝形貌如图1 7 ( b ) 所示。激光束! f o 一弘8誓一彩荔殇 一( a ) 焊接示意图( b ) 接头形貌图图1 7 兰天等人的焊接示意图和接头形貌图焊后，对焊接试样进行观察发现，钛母材基本保持了对接形状，未发生熔化，铝母材熔化形成接头。对接头进行拉伸试验，断裂均发生在铝钛界面处，对断口进行观察，发现焊缝的中部及底部存在未熔合。研究了工艺参数对焊接头的影响，发现焊接速度增大，未熔合率上升：偏角量增加，未熔合率上升；离焦量增加，未熔合率减少：激光偏转角度增加，未熔合率减少。因未熔合多出现于焊缝中部和底部，作者认为未熔合的产生是由于热输入量不足和等离子体的影响。适当改变工艺参数，可降低未熔合率，提高接头质量。以上研究人员的主要工作都是在异种焊接中，控制热量输入，熔化低熔点金属，高熔点金属保持固态，使液态的低熔点金属在固态高熔点母材表面铺展，形成熔钎焊接头。这种方法省去了钎料的加入，避免和减少了脆性金属间化合物的产牛，是一种新型的经济实用的异种合金焊接方法。9铝合金镀锌钢激光熔钎焊数值模拟及工艺参数优化1 4 焊接数值模拟研究现状由于激光焊接过程快速、复杂，并且焊接过程中焊缝区域瞬态温度梯度和空间梯度很大1 8 1 ，瞬态温度梯度可以达到2 0 0 0 0 0 c s ，空间温度梯度也有1 0 0 0 0 c m m 。焊接熔池区域、小孔内、等离子体层都具有极高的温度，测温设备难以检测。因此，通过计算机模拟仿真来研究激光焊接时工件母材和焊缝的瞬态温度状况，进而研究温度分布对焊缝成形的影响成为研究复杂激光焊接过程的一种有效手段。同时，用数值模拟来代替实验，还可以大大减少实验工作量，减少科研成本。进行焊接温度场的数值模拟首先要建立数学物理模型，模型是焊接过程基本物理规律的反映，影响着数值模拟的精确度。在焊接过程的数值模拟中，一般采用两种求解方法【”】，一是解析法，另一种是数值方法，其中数值方法主要是有限差分法和有限元法。对于焊接热过程的研究，始于上世纪三十年代后期，r o s e n t h a l 教授是相关领域的最早研究者2 0 1 。他在传统的准稳态差分方程的基础上提出了点、线热源温度分布的解析表达式，最早确立了移动线热源模型，并得出解析解。该模型成为后续许多激光焊接模型的基础。后来，s w i f t h o o k 和g r i k t 2 1 1 最早对激光焊接熔池的热过程进行研究。当时的工艺条件下，激光功率不高，不考虑激光金属气化的影响，他们采用柱状热源模型来描述激光焊接时的温度场，采用均匀介质中的二维移动线热源来对小孔的能量输入进行模拟，得到焊缝成形与激光能量和速度的关系。他们的方法的典型求解方程为：卜r o = 揪q - - - - e x p 、( 掣】( 乏)( 1 - ，当焊接速度比较高时，k ( 差) 璧唧卜篆)2 ，当焊接速度比较低时，民( 曩) 汕4 0 r eo 5 5 7 3 ，式中：k 为材料的导热系数，单位为( j m s 后) ；仅为材料的热扩散系数，单位为( 1 1 1 2 s ) ：k o 为第二类零阶贝塞尔函数：“为焊接速度，单位为( m s ) ；q 为焊接激光功率，单位为( w ) ，为焊接激光光斑半径，单位为( m ) 。c l i n e 和a n t h o n y 等人2 2 1 建立了能运用于激光深熔焊接的解析数学模型，并假设在板厚方向上，温度呈指数衰减。此模型是基于热传导微分方程的，在不考虑材料相变影响的前提下求解的，因此，焊缝形状的计算存在较大的误差。英国帝国理工大学的m a z u m d e r 和s t e e n 等人