（材料加工工程专业论文）不等厚铝合金薄板激光拼焊及数值模拟.pdf

兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式 标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 余旁学 日期 2 0 0 7年 2 月 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权兰 州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影 印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密团 请在以上相应方框内打 作者签名 余舜旖 导师签名 日期 2 0 0 7年 2 月 2 日 日期 2 0 0 7 年 j 月 日 博士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来 随着能源危机和环境污染问题的日益突出 节能降耗已成为我国的 重大战略举措 于是 以节约能耗 减少排放为目标的汽车轻量化成为汽车工业 发展的主要方向 1 2 1 车身作为汽车三大部件之一 已越来越受到重视 减轻车身 重量主要有两方面措施 一方面大量应用轻质材料以达到减重的目的 另一方面 要改进车身结构 努力采用轻型结构来减轻汽车重量 3 1 铝合金具有密度小 比强度高 耐腐蚀 再生性好等优点 因此铝合金材料 在交通工具中的应用得到迅速发展 4 1 理论上铝制汽车可以比钢制汽车减轻重量 达4 0 因此 铝合金材料是汽车轻量化最理想的材料之一 据宝马汽车公司 b 姗 报道 汽车每减重1 0 可节约燃油5 l o 汽车减重可节省油耗的同时 也减 少了二氧化碳排放量 若车重减少5 0 则汽车的c 0 2 排放量可减少1 3 同时 氮化物 硫化物等的排放量也会相应减少 因而可大大地减少环境污染 提高环 境质量 使用铝合金材料不仅可使汽车减轻重量 从而降低油耗 减少废气排放 而且 由于撞击时铝材吸收的冲击能比钢材高2 倍 所以使用铝结构还可提高汽车抗碰 撞性能 增强安全性 世界各知名汽车制造厂商如德国奥迪 图1 1 日本丰田 等已采用铝合金整体框架取代传统的钢制半壳型结构 a u d i 8 a u d i 2 等全铝结构 轿车已商业化1 4 5 j 图1 1 a u d ia 8 铝合金整体框架轿车 不等厚铝合金薄板激光拼焊及数值模拟 剪裁拼焊板 t a i l o rw e l d e db l a n k s t w b 是近年来在全球汽车工业中发展 迅猛的一种新技术 它是将不同材质 不同厚度的板料经剪裁后 用焊接方法拼 成各种坯板 然后整体冲压成形的一种先进加工工艺 6 拼焊板的加工工艺过程如 图1 2 图1 3 所示 在汽车工业中 使用拼焊板可减少车身覆盖件零件数量 减 轻结构件重量 简化车身制造过程 降低材料消耗从而减轻车身重量 最终降低 汽车能耗 同时 拼焊板还能满足车身不同部位的不同力学性能要求 最大限度 的发挥材料的利用效率 使构件得到优化 6 7 j 使用拼焊板的诸多优点已在通用汽 车公司凯迪拉克轿车和沃尔沃8 5 0 车型上得到了最好体现 1 9 9 8 年3 月 在日内 瓦汽车展览会上展出的超轻型车身 u l s a b 使用了1 8 张拼焊板一一相当于当前 普通车型使用量的四倍 与当前普通四门中型轿车相比 车身重量降低了2 5 抗扭刚度提高了6 5 振动特性改善了3 5 并且增加了弯曲刚度 7 由美国政府组织的旨在 降低自重 节能降耗 减少排放 的 p n g v 一计划 所筛选出的汽车制造关键技术中 包括剪裁拼焊板 t a i l o rb l a n k s 的就有1 2 项 8 9 1 落料 拼焊 冲压成型 扩口d 商画日 图1 2 拼焊板加工工艺过程 6 图1 3 激光剪裁拼焊板生产过程 6 l 钒合会由于具有导热性强 线膨胀系数大 表面张力小等特点 使得铝合金 博十学位论文 的焊接比较困难 容易出现咬边 热裂纹 气孔等缺陷 并且焊接接头力学性能 下降 激光焊接是一种先进的材料加工方法 热量集中 h a z 小 焊缝成型美观 焊后残余应力和变形较小 适合于热敏材料的焊接 并且加工过程中不产生x 射 线 符合环保要求 具有很大的发展潜力 所以铝合金的激光焊接技术具有很好 的发展潜力 因此国内外学者对铝合金的激光焊接进行了大量研究 1 0 1 3 1 但对 不等厚铝铝合金板的激光拼焊研究还比较少 1 2 拼焊板技术研究现状 拼焊板技术起源于汽车车身制造的工程实践 最先应用于日本 1 9 6 0 年日本 本田汽车采用拼焊钢板冲压件做车身侧板 但其后的二十多年间拼焊板并没有得 到广泛推广 1 9 8 5 年德国蒂森钢铁公司与德国大众汽车公司合作 在a u d 1 0 0 车 身上采用了全球第一块激光拼焊板 此后拼焊板技术得到愈来愈多的关注 世界 各汽车生产知名企业便纷纷与其供应商一起开始了剪裁拼焊板技术的开发研究工 作 1 4 1 5 1 拼焊钢板在汽车发达国家已被成功用于内覆盖件 外覆盖件和骨架件等 车身零件的冲压生产中 如图卜4 图1 4 激光拼焊板广泛应用于车身制造 1 4 铝合金拼焊板技术还处于研究阶段 但是它的使用已显现出钢拼焊板的优点 并且通过减少废料和零件数量 提高结构刚度和尺寸精度 可有效地降低铝合金 的使用成本 在f o r d p 2 0 0 0 的门内板上已试用了铝合金拼焊板 如图卜5 所示 不等厚铝合金薄板激光拼焊及数值模拟 图1 5 铝合金拼焊板 1 6 1 2 1 拼焊板的焊接技术研究 自八十年代以来 国际上许多学者对钢板的拼焊工艺进行了大量研究 该技 术也日趋成熟 r s h i 1 5 等人首先于1 9 9 3 年对钢板的两种拼焊工艺进行了研究 分别分析了滚 压焊的焊接参数和激光焊的焊接参数对拼焊板成形性的影响 研究结果表明激光 拼焊板比滚压拼焊板的接头强度和韧性更高 拼焊板具有更好的冲压成型性能 之后 s a u n d e r s l l 6 等分别把厚度为1 8 m m 和2 1 m m 1 8 m m 和o 8 m m 两组低碳钢 板用c 0 2 激光和n d y a g 激光拼焊在一起 研究了两种拼焊板的接头组织 硬度 以及成型性能 研究结果表明焊缝的存在使拼焊板的延伸率比母材降低5 0 7 5 且拼焊板大多断裂于母材 t u s e k 1 7 等进行了不同材料的板材拼焊试验研究 分别用m i g 焊和c 0 2 激光 焊两种方法把奥氏体高合金不锈钢和低合金铁素体钢拼接在一起 用m i g 拼焊时 采用填充焊丝 氩气保护下的双面焊 而激光拼焊时 没有填充焊丝 正反两面 均用氦气保护 试验结果显示 两种方法都能获得外观优良的拼焊板 如图1 6 所示 m i g 拼焊的焊缝区硬度稍高于两种母材 且拼焊板能满足冲压成型性能要 求 而激光拼焊的焊缝区硬度远高于两种母材 拼焊板不能满足冲压成型性能要 求 退火处理后其成型性能显著提高 t o m a sf o r s m a n 1 8 采用c 0 激光器分别进行了不同厚度低碳钢和不锈钢的对 接焊试验 并对焊件进行了胀形 杯突 试验 研究结果表明 在焊缝处薄板向厚 板的光滑过渡或者突变并不影响拼焊板的成形性能 杯突深度值很大程度l 取决 于焊缝微观组织及其几何形状 博士学位论文 一一 p 图1 6 两种方法拼焊的异种材料拼焊板 1 7 a m i g 焊b 激光焊 s m c h a n 1 9 l 等人用激光焊接方法进行了同种材料 不同厚度冷轧钢板对接拼 焊试验 图卜7 同时研究了不同厚度比对成形性能的影响 如图卜8 所示 试 验结果表明随着厚度比的增加 拼焊板的成形性能下降 图1 7 激光焊接的不等厚钢拼板 1 9 孙 k w sr a i b 矗k 把 7 2 l 6 7 图卜8 具有不同板厚比的拼焊板的l 阴值 1 9 s h a o g o u l d 和a l b r i g h t 2 0 2 1 等人进行了四种典型的高强钢板和低碳钢板的 c 0 2 激光拼焊试验 并用单轴拉伸试验研究不同拼焊板的成形性能 发现随着材 料硬度的增大 激光拼焊焊缝变窄 在横向拉伸试验中 拼焊板的延伸率取决于 两种母材的强度比 当高强钢的屈服强度与低碳钢的抗拉强度之比小于极限强度 不等厚铝合会薄板激光拼焊及数值模拟 比时 拼焊板上的低碳钢和高强钢都能发生塑性变形 反之 则拼焊板的变形主 要取决于低碳钢 这会使拼焊板的延伸性能显著降低 在纵向拉伸试验中 拼焊 板的延伸性能和强度均主要由高强钢板决定 同时发现焊缝硬度的提高使拉伸时 沿焊缝的极限应变减小 但焊缝宽度变小时这种趋势可以忽略 对钢板拼焊的研究 大部分学者注重比较不同的焊接方法 焊接参数对拼焊 板的影响 2 2 1 如采用激光焊还是采用滚压焊 激光焊的焊接速度和功率的优化 滚压焊是否采用焊后冷辗或热辗及各参数对拼焊板成形性能的影响等 试验研究 采用的焊接方式有激光焊 滚压焊 电子束焊 和t i g 焊等 生产中采用的焊接 方式主要有激光焊和滚压焊 与普通的冲压用板材相比 拼焊板不只是多了一道 焊缝 板材的不同组合给同一块坯料带来不同的性能 造成坯料性能 承载能力 和几何形状的不对称 铝合金的拼焊技术还处于研究阶段 相关报道比较少 1 9 9 7 年 l k a m p m a n n 和p f u r r e r 2 3 l 等首次研究了不等厚铝合金板的拼焊工艺 分别用2 k wn d y a g 脉冲 激光焊和t i g 焊的方法对厚度为1 1 5 m m 和2 0 咖的从6 0 0 9 铝合金板进行了试验 发现两种方法均能获得焊缝表面光滑的拼焊板 激光拼焊板的焊缝背面光滑平整 冲压成形前不需机械加工 焊缝宽度约为2 衄 而t i g 拼焊的焊缝背面需进行机械 加工 焊缝宽度约5 m m 同时 拼焊板的成形试验表明 焊缝区没有微观缺陷的拼 焊板具有较好的成形性能 焊缝区的断裂延伸率不低于母材的5 0 当焊缝质量 存在问题时 拼焊板将首先在焊缝处产生破坏 整体成形性能降低 同年 v e n k a t a l b r i g h t r a m a s a m y 2 4 2 5 2 6 等研究了铝合金6 1 1 卜4 5 7 5 4 一o 等厚度板的c 0 2 连 续 及5 k wn d y a g 连续或脉冲 激光拼焊工艺 6 1 1 卜4 的厚度为1 0 1 6 m m 而 5 7 5 4 一o 的厚度为1 6 3 m m 分析了接头的拉伸强度和延伸率与焊接速度的关系 发现这两种合金都能被完全焊透 且焊缝延伸率随着焊接速度的增大而减小 1 9 9 8 年 m o h a m m e dn a e e m 2 7 等研究了铝合金的n d y a g 激光填丝焊 分析了填充焊丝对 焊接过程和焊缝组织性能的影响 随后 d a v i e s l 2 8 2 9 等研究了铝合金拼焊板的性 能表征 并对不等厚铝合金拼焊板焊缝延展性进行了单轴纵向拉伸试验研究 试 验中通过改变整体试样宽度来改变焊缝与试样的宽度比 结果表明 随焊缝所占 比例增大 试样延伸性能下降 焊缝性能大小对整个试样的延伸性影响非常明显 2 0 0 0 年f r i e d m a n 3 0 对铝合金6 1 1 卜4 激光拼焊板和5 7 5 4 0 激光拼焊板的组织和接 头性能进行了实验研究 发现铝合金6 1 l 卜4 拼焊板的焊缝强度明显弱于母材 试 样均断裂于焊缝区 图卜9 铝合金5 7 5 4 一o 拼焊板拉伸试样也断裂于焊缝区 图 1 10 博士学位论文 图1 9 从6 1 1 1 t w b 拉伸断口 3 0 1 图1 1 0 a a 5 7 5 4 t w b 拉伸断口 3 0 在国内 华中科技大学的胡伦骥 刘建华 3 2 3 3 等首先于1 9 9 5 年对汽车用钢板 的激光拼焊工艺进行了试验研究 分析了激光焊接接头的各项性能 同时分析了 工艺参数和焊缝宽度之间的关系 并得到了相关经验公式 郑启光 3 4 等人对不同 形状 不同厚度及不同表面覆层的剪裁钢板进行激光高速拼焊试验 研究了工艺参 数 激光模式 激光功率 拼焊速度等 对激光拼焊质量的影响 并对激光拼焊 的0 8 剪裁钢板进行拉伸 胀形 杯突 以及汽车钢板结构模拟试件的冲压性能试 验 试验结果表明 激光拼焊的剪裁板能满足汽 轿 车钢板结构件对冲压性能的要 求 东北大学的王炳德1 3 5 等人分别采用激光焊接和钨极氩弧焊进行了拼板焊接试 验 对比分析了两种焊接方法的拼焊特点 研究结果表明 激光焊接方法具有焊 接速度高 焊缝成形好等优点 但其焊接成本高 焊前准备时间长 钨极氩弧焊 接方法具有成本低 使用方便等优点 更重要的是它能焊接铝板 但其焊接速度 慢 热影响区宽 上海交通大学的瞿丰 3 6 l 通过试验研究了不同厚度钢板的搭接和对接激光焊接 工艺参数对接头成形的影响 试验结果表明 若焊接参数选取适当 能够获得焊 缝成形良好 接头性能符合要求的焊接接头 单道搭接焊接头性能和对接焊接头 基本相似 均优于一般的焊接方法 激光焊接具有非常窄的熔化区 0 5 1 5 m m 当不同厚度的板材金属被焊在一起时 从较厚板材向较薄板材金属过渡的焊缝形 貌非常平滑 不等j 早铝合会薄板激光拼焊及数值模拟 湖南大学的谭成光 陈根余 3 7 等研究了冷轧钢与高强度镀锌钢的c 0 2 激光拼 焊 得出了最优工艺参数 并对焊接接头进行了微观组织分析 机械性能试验和 杯突试验 试验表明焊接接头力学性能优于母材冷轧钢 但焊缝塑性低于母材 1 2 2 拼焊板的成形性能研究 对拼焊板的成形研究 a z u m a 3 8 等于1 9 8 8 年首先对等厚度钢拼板进行了三 种标准成形试验 在拉伸试验中 当焊缝平行于主应力方向时 决定拼焊板的拉 伸性能的主要是焊缝性能 当焊缝垂直于主应力方向时 决定拼焊板的拉伸性能 的主要是薄板性能的好坏 在极限拱顶高试验中 由于焊缝的存在使得拼焊板的 极限拱顶高比母材的下降2 5 到3 0 但深拉延性能并未受到明显影响 s h i w a g o n e r l 3 9 4 0 1 等先后于1 9 9 3 年 1 9 9 6 年对钢拼焊板的成形性能进行了相同研究 得到以下结论 对于等厚度等强度材料拼焊板 失效总是发生在焊缝界面 裂纹总 是垂直于主应变方向 而对于不等厚不等强度拼焊板 成形失效的位置由基体金 属和焊缝的强度 延展性以及主应变的方向等所决定 1 w a t a 4 1 等人于1 9 9 3 年对 拼焊板的拉伸过程进行了有限元模拟 他们建立的模型能够准确预测焊缝处于不 同位置时拼焊板的破坏形式 d a v i e s 4 4 l 等以及h e r m i n aw a n g 4 6 等于2 0 0 0 年对铝 合金拼焊板的成形性能进行了研究 对不同厚度或不同强度的5 0 0 0 系列铝合金拼 焊板 主应变方向平行于焊缝时 焊缝缺陷起重要作用 裂纹发生在焊缝处 极限应 变较小 主应变方向垂直于焊缝时 裂纹发生在弱板一侧还是在焊缝处 与拼接板 的厚度比有关 厚度比越大 裂纹越可能发生在弱板一侧 而且离开焊缝越远 而 对于6 0 0 0 系列铝合金来说 裂纹总是发生在焊缝处 y o u h oc h o i 4 7 的研究认为 对于不同板厚或强度组成的拼焊板 冲压成形时 焊缝会产生移动 如图卜1 1 所示 拼焊板的失效直接与焊缝移动有关 焊缝移动 取决于边界条件 如压边力 板料轮廓形状 焊缝位置等 也与焊缝两侧材料厚度 比和强度比密切相关 而与焊接方式和焊缝宽度关系不大 成形性能主要取决于焊 缝移动距离 因为焊缝移动会影响变形方式 应力应变和破坏位置 因此应注意 改善焊接质量 控制板料的厚度比与强度比 把焊缝布置在低应变区 与主应变方 向相垂直 并采取措施控制焊缝移动 博士学位论文 霸黉 图1 1 1 不同厚度比的拼焊板焊逢移动试验结果 4 7 b u s t 4 8 j 研究了拼焊板残余应力对成形性能的影响 认为焊接残余应力的大 小 分布等对成形性能有较大影响 因为残余应力诱导扭曲变形 导致成形起皱和 早期失效 张士宏 5 0 等对不等厚拼焊板的塑性拉伸变形性能进行了试验分析 讨论了拼 焊板的几种实用焊接技术 给出了拼焊板的机械性能参数 比较了焊缝处于拉伸 试样不同位置时拼焊板与母材的拉伸试验结果 分析了焊缝分布对拼焊板塑性变 形性能的影响 以及如何优化焊缝位置以提高拼焊板的整体塑性变形能力 同时 他们对拼焊板方盒形试件拉深过程的非均匀变形进行了计算机模拟和实验研究 分析了焊缝移动和法兰区的起皱 为了验证模拟结果 做了相应实验 实验结果与 模拟结果吻合较好哺 杨继昌 陈炜畸纠等分析了采用普通工艺对不等厚拼焊板进行拉延成形时发生 的主要问题一一薄侧材料的起皱和焊缝的移动等 给出了消除或控制上述问题的 方法 采用l s d y n a 求解器 以矩形盒件为例 对其应用不等厚拼焊板成形的过程进 行数值模拟 比较不同的拉延工艺 得到了不等厚拼焊板拉延成形的一种有效工艺 措施 验证了所提方法的有效性 朱元右 姜银方 杨继昌 副等对拼焊板冲压成形中的焊缝移动进行了分析 将拼焊板盒形件分解成包含横向或纵向焊缝的u 形拼焊板 从分析简单u 形件拼焊 板出发 考虑压边圈类型及压边力大小和分布 焊缝位置和方向等因素的作用 研 究盒形件拼焊板金属流动规律和焊缝移动原因及移动趋向 研究表明 横向焊缝 移动是由于厚薄两侧的负载能力和负载差异引起的 纵向焊缝移动是由于侧壁主 应变的差异引起的 盒形件底部的焊缝具有u 形件横向焊缝的移动特征 盒形件裙 边和侧壁上的焊缝移动的原因不同丁二u 形件的纵向焊缝 且移动方向也不尽相同 不等厚铝合金薄板激光拼焊及数值模拟 1 3 铝合金的激光焊接 近年来 为了提高铝合金的激光焊接质量 国内外进行了大量的研究工作 主 要集中于激光功率 焊接工艺以及铝合金的表面状态等方面 随着大功率 高性 能激光加工设备的不断开发 在日本 美国 英国 德国等发达国家 激光焊接 铝合金技术发展很快 并成为未来铝焊接技术的主要发展方向之一 j 铝合金具有以下固有特性 5 5 1 对激光束的表面反射率很高 对二氧化碳激光约为9 6 对y a g 激光约为 8 0 2 热传导率很高 3 表面存在难熔的氧化膜 氧化膜的熔化温度为2 0 6 6 度 4 比热很高 约为o 8 8 k j 5 热膨胀系数较大 6 表面张力较小 7 很高的凝固收缩率 大约是铁的两倍 8 存在高蒸发压的合金元素 9 凝固温度范围宽 1 0 液态吸氢能力很强 这些特性使得铝合金的焊接存在诸多困难 首先 铝合金的激光焊接需要相对 较高的能量密度 这有两个原因 一是铝合金的反射率较高 二是铝合金的导热 系数很高 除了能量密度的问题 铝合金的激光焊接时 还有三个很重要的问题 需要解决 气孔 热裂纹和严重的焊缝不规则性 气孔和热裂纹的产生主要与材 料本身的性能有关 而焊缝不规则性主要由焊接过程的不稳定所引起 5 5 1 1 3 1 影响铝合金对激光的吸收率的因素及提高吸收率的措施 h a g e n 和r u b e n s 从试验性研究中首先得出了金属表面对激光的反射率公式 与k i r c h h o f f 的定律结合后 得出了材料对激光吸收率公式 5 4 1 即 九 t 0 3 6 5 p 1 b t 一2 0 入 2 式中 p 一一铝合金2 0 时的直流电阻率 q m b 一一电阻温度系数 1 t 一一温度 入一一激光束的波长 m 在铝和铝合会的焊接中 n d y a g 激光与材料的耦合性比c 0 激光好 铝合金 对c 0 二激光的反射率很高 约9 0 一9 7 因此采用c 0 j 激光来焊铝需要很高的能量密 l o 博上学位论文 度来形成并维持小孔 通常能量密度需大于4 1 0 6 w c m 2 对于铝合金来说 吸收 率是温度的函数 当铝合金表面一旦熔化 汽化时 其对激光的吸收率迅速增大 到9 0 以上 反射率下降 为了提高铝合金对激光的吸收 可以改变材料表面状态 即对材料表面黑化 涂石墨 或阳极氧化处理 5 5 1 在文献 5 6 中h z h a o 经实验证 明 对3 m m 厚的a 6 0 6 3 铝合金 当表面形成一薄层的氧化膜时 对激光的吸收率 比1 舳厚的表面光洁的a 6 0 6 3 铝合金显著增大 c a h u n t i n g t o n 5 7 1 等研究了铝合 金原始表面 铣 车加工后 喷砂 3 0 0 目砂纸 电解抛光以及阳极氧化 厚度i im 级 四种表面状况对入射激光的能量吸收情况 结果表明喷砂处理和阳极氧化均能 使铝合金对激光的吸收率显著提高 光束经透镜聚焦后 其光斑尺寸由d f o 决定 5 5 1 式中 f 一光学透镜焦距 咖 一光束发散角 m r a d 因此 选用短焦距透镜和利用低阶模输出可使光斑尺寸减小 这样激光功率 密度增大 铝合金对激光的吸收率也增大 在铝合金表面人工制孔或采用光收集 器形式接头 开v 形坡口或采用拼焊 拼接间隙相当于人工制孔 方法 都可以增 加铝合金对激光的吸收 获得较大的熔深1 5 6 5 7 1 1 3 2 铝合金激光焊接的气孔 铝合金激光焊接的气孔问题至今未弄清楚 k o t s u n a 5 8 等对a 3 0 0 3 a 6 0 6 l a 6 n 0 1 a 5 0 5 2 a 5 1 8 2 进行c o 激光焊接 利用气体光谱分析法对微孔中气体成分 进行分析 发现气孔中气体成分为9 0 的h 2 和1 0 的n 2 气孔产生与氢在高温下大 量溶入有关 对于不规则气孔 借助s e m 观察和孔内e d x 分析 结果表明孔内壁镁 的含量是焊缝附近的4 倍 估计不规则的较大气孔与镁的蒸发烧损有关 另一方 面 为弄清焊接过程中匙孔不稳定和气孔的关系 m a t s u m a w a 5 9 等人利用两台超高 速扫描摄像机观察脉冲n d y a g 激光器点焊时匙孔与等离子体行为 脉冲持续时间 2 0 m s 最大脉冲能量1 0 0 焦 脉 指出脉冲消失的一瞬间 匙孔将下塌 这样保 护气体和金属蒸气被围困在匙孔底部而形成气孔 通过优化脉冲波形 增加尾脉 冲的方式 进行熔池凝固过程热控制 可使这一问题得到解决 k a t a y a m a l 6 0 的研究认为 在常规的焊接过程中 氢的主要来源是焊接金属中 的填充金属 保护气体和基体金属 减少氢的来源就可减少密集型气孔的形成 m a r s i c o l 6 1j 的研究指出即使氢的可能来源被消除 在铝合金激光自动焊接件中也 常能观察到严重的密集气孔 表明宏观孔的主要来源可能不是氢 关于气孔的形成机理 目前有以下几种看法 在冷却过程中氢的溶解度急剧 下降形成氢气孔 5 8 低溶点高蒸气压合金元素蒸发导致气孔 5 8 激光束引起溶池 金属波动小孔不稳定 溶池会属紊流导致气孔生成 5 9 6 0 6 1 1 气孔的存在 会导致焊缝的机械性能一卜降 6 3 6 4 65 1 在文献 6 4 中 作者对a 5 1 8 2 不等厚铝合余薄板激光拼焊及数值模拟 铝合金激光焊缝人为制孔 孔直径为1 唧和2 唧 孔间距d 0 5 舳 d 1 m m d 2 m m 然后对焊缝进行拉伸 利用微聚焦x 射线图像检测系统观察焊缝的变形过程 拉 伸时变形首先出现在孔附近 进而出现裂纹 然后断裂 拉伸强度和延伸率相对 于无孔洞的焊缝有所下降 利用有限元 f e m 分析孔附近的应力应变分布 当孔的 间距为o 5 咖时 产生高度应变 孔之间的相互作用增强 产生的应力应变集中 随着孔间距增加而减小 1 3 3 铝合金激光焊缝的热裂纹 在焊件的冷却过程中 由于接头处体积收缩产生应力集中而形成裂纹 作为 焊接缺陷之一 热裂纹主要有两种类型 6 2 6 6 在焊接金属凝固过程中发生在熔融 区的凝固裂纹和发生在熔融区的低熔点组分引起的偏析裂纹 在熔化焊焊接中 铝合金对凝固裂纹和偏析裂纹都很敏感 在激光焊接铝合金时 已经报道到存在 凝固裂纹 而偏析裂纹只有在热量输入低的一部分热影响区才能观察到1 5 6 l k a t a y a m a d e 6 4 j 的研究认为 凝固 结晶 裂纹对铝合金的组分很敏感 研究 表明 当a 卜s i 铝合金组分为o 6 s i 时 a 卜c u 铝合金组分为卜3 c u a l m g 铝 合金组分为卜1 5 m g 和a 卜m g s i 铝合金组分为1 o m g s i 时铝合金具有很高的 裂纹敏感性 铝合金凝固裂纹对焊接过程也同样敏感 b h u 6 7 j 的研究表明脉冲激光焊比起 连续激光焊更能引起高的凝固裂纹敏感性 h z h a o 和w h i t e i 胡l 的研究表明在脉冲 焊接中裂纹敏感性的增加 归因于过快的冷却速度导致的高的热应力 高的应力 梯度和裂纹的再扩展 可见 在脉冲激光焊接铝合金时 冷却速度高是导致凝固 裂纹敏感性增加的主要原因 防止热裂纹的主要措施是在激光焊接时采用填充材料 6 9 7 0 1 近年来对汽车用 铝合金的填充材料激光焊接法的研究逐渐引起人们的关注 对于容易形成凝固裂 纹的铝合金来说 填充材料的使用有效阻止了裂纹形成的条件 改善了焊缝的机 械性能 填充材料可以采用填充焊丝 用电镀和涂覆的方法预置填充材料 以及 填充粉末等方法 陈铠 王智勇 肖荣诗等 7 1j 的研究认为 在激光焊接铝合金6 0 1 6 时 填加含s i 高的铝合金粉末可有效防止焊缝中产生热裂纹 除采用填丝外 在脉冲点焊时 调节脉冲波形 控制热输入 同样可以减少 结晶裂纹l 明l 采用此波形 使焊缝熔化凝固重复进行 以降低熔池凝固时的凝固速 度 即在凝固过程中增加适当热循环 减少固液共存区 1 3 4 铝合金激光焊接时合金元素镁的烧损 合金元素m g z n 等在铝合金中作为强化元素存在 在激光焊接时 由于这些 低熔点合金元素烧损 严重影响焊缝强度 5 4 7 1 7 引 在文献 7 2 7 3 和 7 4 中 作 者对这一问题分别进行了分析讨论 镁的沸点为13 8 0 k 比铝的2 7 2 7 k 低很多 焊 博十学位论文 接时镁首先蒸发烧损 王希靖等 7 4 的研究认为 在相同工艺条件下 合金种类不 同 镁的损失程度也不同 a 5 0 8 3 比a 5 0 5 2 合金镁的烧损更为严重 利用e p m a 分 析 a 5 0 8 3 焊缝上部合金元素m g 的烧损较下部严重 焊缝中心比热影响区附近镁的 烧损严重 传导焊中镁的烧损比小孔焊中镁的烧损严重 v e n k a t 和a l b r i g h t l 7 5 j 等对a 5 7 5 4 一o 和a 6 1 1 卜t 4 合金进行焊缝断面维氏硬度测 试 a 5 7 5 4 一o 焊缝硬度为6 8 低于母材的7 3 6 1 1 卜t 4 合金焊缝硬度为6 9 低于 母材的8 2 相同工艺条件下 6 0 0 0 系列合金焊缝硬度比5 0 0 0 系列合金硬度下降 得多 w 抽g k a t a y a m a 7 6 等采用连续波h d y a g 激光焊接a 5 1 8 2 由于m g 的损失 焊缝的屈服强度下降了2 2 2 5 在传导焊模式下形成的焊缝m g 的损失量较少 另外 采用c 0 激光器焊接a 5 0 8 3 a 5 0 5 2 a 5 1 8 2 a 6 0 6 1 a 7 n 0 1 发现在焊缝表 面和热影响区沉积黑色物质 对这些物质分析发现在热导型焊缝中镁含量高达9 0 是a l 含量的1 4 倍 这是因为镁的沸点和蒸发热比铝的一半还低的缘故 1 3 5 铝合金激光焊接的等离子体 在深熔焊模式中 激光束照射工件后 工件迅速蒸发形成光束腔而产生匙孔 由于激光在匙孔中多次反射 激光的能量吸收率提高 铝合金中低熔点合金元素 如m g z n 等蒸发 合金元素的蒸发会在熔池上方产生等离子体 铝合金激光焊接 等离子体频率为1 0 0 h z l 7 7 1 l n a k a d a 7 8 等的研究表明 保护气体在激光的作用下也可电离为等离子体 等 离子体吸收激光能量 改变光束聚焦形态 使激光束发生折射 偏转 激光束偏 转角度取决于等离子体的电子密度和长度 等离子体使焊缝深宽比减少 等离子 体由小孔中向外喷射时 排斥周围液体 允许光束达到小孔内 这样又会使熔深 增大 对于每一次等离子体冲击 都会产生冲击波或尖峰 尖峰频率由焊接速度 决定 k a t a y a m a 7 6 j 等的研究结果也证明了这一点 m 和a l a t s u n a w a 7 9 利用脉冲n d y a g 激光分别在空气和氩气中焊接a 卜m g 合金 对等离子体进行了波谱分析 同时在假定局部热平衡条件下 利用谱线相对 强度的波尔兹方法 测定了等离子体温度和电子数浓度 等离子谱线为a 1 m g c r m n c u f e z n 的原子谱线和单一的m g 离子谱线以及分子a l o m 9 0 和a l h 的分子谱线 用氩气保护时 没有a 1 0 m 9 0 谱线 低功率密度下 m g o 谱线较强 高功率密度时 则a 1 0 谱线强 在空气中 当光束能量密度为1 0 1 0 1 0w m2 时 测得的等离子体温度为3 2 8 0k 15 0k 电子数密度为1 8 5 1 0 1 9 l m 3 即激光诱导 a 卜m g 合金等离子体是温度低且非常弱的等离子体 其温度比铝的沸点稍高 不等厚铝合会薄板激光拼焊及数值模拟 1 4 激光焊接数值模拟 由于激光焊接应力与变形的根本原因是焊接过程中不均匀的加热和冷却 因 而对激光焊接温度场的研究是激光焊接应力和应变分析的前提 舳胡2 1 研究的重点 集中在关于温度场的数值模拟上 应力应变场数值模拟报道较少 自从1 9 7 3 年s w i f t h o o k 和g i c k 8 3 j 开始对激光焊温度场进行研究以来 激光 焊接热过程数值模拟已经历了3 0 多年的发展历史 国内外的研究主要集中在分析 激光焊接热源模型 小孔模型 温度场 熔池行为 残余应力及变形等方面 1 9 世纪8 0 年代初期 m a z u m d e r 采用有限差分法 发展了用于高斯分布的激 光束与物质相互作用过程的二维传热模型 后来 c h a n d e 和m a z u m d e r l 8 4 修正了 该有限差分热传导模型 研究中除考虑小孔 表面对流 辐射热散失外 还考虑 到热物理性能随温度变化 给出了移动热源下物质与激光相互作用的三维热传导 模型 g o l d a k 晒 等人针对高能束焊接的特点提出了具有分布式的双椭圆体热输入有 限元模型 随后 i c h i k o 等通过变动双椭圆体热源中的参数对m a z u m d e r 的三维激 光焊模型作了改进 以解决任意高能束热源下的温度分布问题 s t e e n 跖 等将孔口等离子体的点热源和小孔线热源叠加 提出了点一线热源的 数学模型 其讨论基于格林方程及高斯分布的激光热源 a k h t e r 8 7 l 等求解了有限厚度点热源的数学模型 由此推出了激光强度随位置 变化的线热源的解 克服了上述s t e m 模型的缺点 他们的解法同样假设材料的热 物理常数恒定 但是这样的假设造成的误差远小于忽略小孔本身复杂的能量交换 及其周围液体区行为所造成的误差大 b a s u 和d a t e 韶 用焓变法研究激光加热纯净金属熔化的二维问题 同年 有人 从物理概念出发 采用单元体平衡法建立差分方程组 适用于求解任何边界条件 的微分方程 卵j b 0 n o l l o 9 0 等建立点一线热源的模型 他们将充满金属蒸气的柱状小孔的作用 视为一个热源 将羽状等离子云视为另一热源 该模型的计算值要比实测大 虽 然这种点一线热源模型对小孔上部和下部的差异给予了解释 但对有限厚度工件 并不能得到满意的结果 w e i p s 和s h i a n 9 1 于1 9 9 7 年给出了用于计算抛物曲面回转体熔池周围温度场 的新的三维解析表达式 消除了以往模型中不考虑熔池中的流动 对流作用 垂 直线热源方向的热传导及动量平衡的缺陷 w e i p s 还用新方法获得了令人满意的准 确的表面绝热条件 从而提出了新的解析温度场模型 并给出了一个点热源表达 式来修正线热源 使强度与位置相关 克服了早期模型的缺陷 同年 l a m p a 等 研究了小孔内的表面张力梯度 92 1 提出了小孔的热毛细模型 文献认为在小孔底 博十学位论文 部固液界面几乎是平行的 热传输机制主要是热传导 发现小孔顶部热流动则因 热毛细作用而大大加快 引起焊缝顶部的扩宽 s u d n i 9 3 等的研究认为 模拟深熔激光焊接焊缝形状时 应考虑熔池径向的 液体回流引起的热传输过程 他们发现 焊缝宽度的5 0 9 0 随焊速的增加而 增加 是由热传导和平移性的热传输 熔化区平移的贡献约为2 0 3 0 引起的 其余的1 0 5 0 的缝宽 随焊速的增加而减少 是由对流热传递引起的 文献 9 4 提出的模型主要特点是能预测焊缝上部的凸起 认为焊缝的凸起一方面是由于热 毛细力和小孔壁金属蒸气摩擦力引起的熔池流体流动 其流速远大于焊速 造成 熔池金属的环流 另一方面是由于高温时的热膨胀引起的 b u s t e 9 5 等人对拼焊板 的应力分布进行了有限元模拟 在国内 有关激光焊接机理及焊接过程的数值模拟研究起步较晚 但发展比 较迅速 徐九华 9 6 等以伴随有小孔效应产生的高能量密度束焊接过程为研究对象 建 立了运动热源作用下二维小孔焊接中流体流动及传热过程的数学模型 郑启光 9 7 等分析了激光深熔焊接的熔池行为 并着重研究了激光焊接工艺参数 激光模式 功率 聚焦条件 焊接速度和辅助吹气 对焊接熔池行为的影响 邹德宁 9 8 等对移 动热源条件下熔池内流体流动 相变和传热问题进行了数值研究 并基于研究结 果对同一焊接速度 不同激光输入功率条件下温度场进行了比较分析 提出了采 用位置预置一修正的方法对高能束流焊接熔池的固 液相交界面进行准确捕捉 以揭示各参数对焊接热过程的影响 刘顺洪 9 9 等人进行了薄板激光焊温度场的分析与数值模拟 考虑了材料热物 性参数的温度相关性 熔化潜热以及对流辐射等对温度场的影响 并对模拟结果 与实验结果进行比较 吻合较好 蔡志鹏 1 0 0 等人针对焊接过程数值模拟计算效率低的难题 通过分析焊接热源 的特点 在移动高斯热源的基础上 提出分段移动热源模型 该模型从宏观上体现 焊接热源移动的特点 减少描述热源逐点移动所需的计算量 从而大幅度提高计算 效率 经验证 该方法可在保持精度的同时大幅度地缩短计算时间 从而使实际构 件工艺的模拟 优化成为可能 利用该模型分析了不同切割顺序对桥式起重机腹 板变形的影响 并进行了实际测量 实际测量结果与数值模拟结果相当吻合 薛忠明 顾兰 张彦华 1 0 1 等人深入分析了激光焊接小孔传热模型的特点 在 此基础上选取合适的热源形式 研究了移动线热源和高斯分布热源作用下 准稳态 与瞬态激光焊接温度场 利用m a t l a b 软件及a n s y s 有限元分析程序对激光焊 接温度场分别进行了计算及模拟 并且将两种分析结果进行了比较 最后还将有限 元的模拟值与实测值进行了对比分析 进一步验证了小孔模型与高斯热源在激光 焊接温度场模拟中的适用性 不等厚铝合金薄板激光拼焊及数值模拟 顾兰 薛忠明 张彦华 1 0 2 l 等人在分析连续和脉冲激光深熔焊焊缝形状特征的 基础上 构建了组合热源模型 讨论了热源模型参数的确定方法 应用所建立的 热源模型模拟分析了激光深熔焊焊缝边界形状 模拟结果与实验结果吻合较好 何小东 张建勋 1 0 3 1 0 4 1 等人基于有限元分析软件a n s y s 以激光焊接和t i g 焊接温度场模拟为基础 对钛合金薄板的焊接残余应力进行了数值模拟 并分析 了不同焊接工艺参数对激光焊接和t i g 焊接残余应力分布的影响 数值模拟中考 虑了材料参数的温度相关性 并与小孔释放法测试的焊接残余应力进行比较 结 果表明 计算结果和测试结果吻合较好 综上所述 二十年来 各国学者对钢拼焊板的焊接技术以及成形性能进行了 大量研究 并取得了很大进展 使钢拼焊板成功应用于汽车车身制造 但是 铝 拼焊板的研究历史仅十年左右 人们对铝合金拼焊板 尤其是对不等厚铝合金薄 板的激光拼焊技术以及拼焊应力应变的研究还比较少 不等厚铝合金的激光拼焊 还存在焊接过程不稳定 焊缝成形不好等诸多问题 1 5 本课题的主要研究内容 十多年来 铝合金激光拼焊板的研究取得了一定进展 但是 对于不等厚度 的铝合金薄板的激光拼焊研究较少 因此 研究铝合金剪裁板的激光焊接技术 得到不等厚铝合金激光剪裁拼焊坯板的合理工艺 为不等厚铝合金的激光拼焊提 供理论依据 对加速铝合金在汽车工业中的应用 具有现实意义 同时 激光焊接是一个快速而不均匀的热循环过程 焊缝附近出现很大的温度 梯度 尤其在薄板拼焊中 由此引起的残余应力和变形会对后续冲压加工带来不 可忽略的问题和困难 这些都成为影响拼焊板成形质量和使用性能的重要因素 所 以 在工艺试验的基础上 通过数值模拟预测拼焊板的焊接温度场及应力应变场 的分布规律 对预测和控制焊接后的残余应力与变形 为优化焊接工艺和拼焊板 冲压成形工艺提供理论基础和有效手段 本文采用c 0 激光器 研究不等厚铝合金板的激光拼焊工艺 并对拼焊板接头 性能进行测试分析 同时 用有限元分析方法 对拼焊过程温度场 应力应变场 进行数值模拟 主要研究内容如下 1 研究不等厚铝合金薄板的激光拼焊工艺 分析影响焊接过程稳定性的主要 因素 得到成形优良的拼焊板 2 分析两种铝合金激光拼焊板接头的组织和性能 3 分析不等厚铝合金激光拼焊焊接过程及焊缝截面形状 确定合理的热源模 型 对拼焊过程温度场进行有限元模拟 在温度场模拟的基础上 对应力应变场 进行数值模拟 博 e 学位论文 4 采用热电偶检测拼焊过程的温度场 并用小孔释放法测试焊缝附近的残余 应力 对比模拟和实验测试结果 优化数学物理模型 为预测与控制焊后工件的 残余应力与变形提供理论依据 不等厚铝含金薄板激光拼焊及数值模拟 2 1 试验材料 第二章试验材料与方法 铝合金的种类比较多 一般根据铝合金的主要合金成分进行分类 见表2 1 表2 一l 铝合金系列 1 叫 用于车身板的铝合金主要有2 0 0 0 系 a 1 一c u m g 5 0 0 0 系 a 卜m g 6 0 0 0 系 a 卜m g s i 和7 0 0 0 系 a 卜m g z n c u 其中2 0 0 0 系列和6 0 0 0 系列是可热处理强化 的 可通过涂装烘干 1 7 0 2 0 0 2 0 3 0 m i n 工序后强度得到提高 所以用于外板等 要求强度 刚性较高的部位 5 0 0 0 系铝合金是以镁为主要合金元素的非热处理强化铝合金 由于成形性良好 而经常用于内板等形状复杂的部位 为了获得良好的机械性能 焊接5 0 0 0 系铝合金 时 材料处于高温下的时间必须很短 而激光焊接提供了高能量密度和快速冷却的 优点 因此产生的热影响区很窄 对材料变形强化的影响程度最小1 1 0 6 j 本实验选用的材料是5 0 0 0 系铝合金5 0 5 2 和5 0 5 6 属铝一镁系防锈铝合金 这 类铝合金的主要特点是具有优良的成形性和抗腐性 主要用于汽车 飞机 船舶等 的承力零件 材料厚度分别为铝合金5 0 5 2 厚1 0 m m 和1 4 m m 1 o m m 薄板为半硬态 博一j j 学位论文 h 2 4 表面显微硬度为h v7 7 4 1 4 咖的厚板为退火态 o 表面显微硬度为h v 6 4 5 铝合金5 0 5 6 板材厚度分别为1 0 咖和2 o 唧 两种板材均为退火态 表面显 微硬度约为h v8 4 5 两种铝合金的化学成分和厚度见表2 2 机械性能见表2 3 表2 2 铝合金5 0 5 2 和5 0 5 6 化学成分 t 表2 3 铝合金5 0 5 2 和5 0 5 6 的机械性能 2 2 不等厚板激光拼焊试验设备及方法 2 2 1 试验设备 实验所用的激光加工系统为德国r o f i n 公司的3 0 k w 射频激励扩散冷却c o 激 光器 四轴控制c n c 数控系统极及平面工作台 如图2 1 所示 激光器主要参数如表 2 4 所示 1 9 不等厚铝合金薄板激光拼焊及数值模拟 表2 4 激光器主要技术参数 图2 1c 0 2 激光焊器及其c n c 数控系统 2 2 2 拼焊专用夹具 拼焊专用夹具结构如图2 2 所示 为了在焊接过程中对熔池进行背面保护 夹 具体中间有一纵向沟槽 槽宽8 m m 深6 m m 用以容纳保护气体 形成背保护 另外 拼焊时试样放置在夹具体上表面后 两块板材分别夹紧 以适应试样不等厚 且下表面应处于同一平面的要求 图2 2 拼焊试验专用夹具 博l 二学位论文 2 2 3 试验方法 试验中采用的两种铝合金试件尺寸规格分别为 铝合金5 0 5 2 厚度分别为1 o 咖 和1 4 姗 大小为1 5 0 姗 1 0 0 咖 铝合金5 0 5 6 厚度分别为1 o 眦和2 0 姗 大 小为1 0 0 哪 2 7 0 咖 试样从原始板材剪裁下来后 要拼接的一边需经机械加工 焊接前在焊道处均匀涂刷铝和镁的混合粉末 金属粉末的直径约为1 5 0 3 0 0 目 过细的粉末会在激光综合热作用下完全气化 造成合金元素的过多烧损 而尺 寸太大 则在高的焊接速度下很难完全熔化 焊接前 用丙酮作载体在铝合金试件 表面涂敷铝和镁的混合粉末 如图2 3 2 4 所示 涂敷宽度为1 0 舳 图2 3 铝合金5 0 5 2 拼焊 图2 4 铝合金5 0 5 6 拼焊 考虑是薄板拼焊 而且从经济性出发 选择保护气体为氩气 保护方式为同轴 保护 侧面保护 背面保护 试验中 要求板间距小于o 2i i l i n 两板材下表面处于同一平面 激光光束微偏 于厚板一边 为避免焊接初始铝合金极强的反射光毁坏聚焦镜及光纤 同时考虑上 表面不在同一水平面的影响 激光束与试板表面成8 5 左右 如图2 5 所示 不等厚铝合金薄板激光拼焊及数值模拟 a 前面 b 侧面 图2 5 激光拼焊装置及方法示意图 实验采用激光功率为1 0 0 0 w 2 4 0 0 w 焊接速度范围o 8 2 5 m m i n 离焦量 一2 m m 1 m m 离焦量以薄板上表面为零点 上表面以上为正离焦 博士学位论文 2 2 4 试件的清洗 铝是化学性质较为活泼的金属 表面极易形成难熔性的氧化膜 使焊接过程中 容易在焊缝处形成未熔合 夹杂 气孔 结晶裂纹等缺陷 同时 板材表面的油污 中含有氢 它使焊逢中的氢含量增加 为避免油污 氧化膜对焊接过程的影响 焊 接前需对焊件进行清洗 先用丙酮擦洗除油