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高强铝合金电子束焊接焊缝成形质量研究

吴庆生  
【摘要】: 本文对20mm厚高强Al-Cu合金板电子束焊接工艺问题进行了研究,分析了影响接头性能的各种因素。研究表明,对于电子束焊接20mm厚高强Al-Cu合金,焊缝成形是决定焊缝质量的主导因素。如何得到良好的焊缝成形以及如何评判焊缝成形质量就成为本文研究的重点。 为了得到焊缝成形规律,研究中对20mm厚高强Al-Cu合金进行了电子束堆焊试验。综合分析实际得到的焊缝形状,归纳出了焊缝形状模型,并定义了焊缝形状参数,进而研究了焊接参数对焊缝形状参数的影响,从而得到焊缝成形规律。研究结果表明,钉形焊缝由钉子帽和钉子本体组成,二者的形成机制不同。钉子帽形状(高度和宽度)只受热输入大小影响,与产生热输入的方式无关;钉子本体的宽度也有类似的规律,但钉子本体的高度不仅受热输入大小的影响,还与产生热输入的方式有关。根据热输入和熔化效率调节焊接参数可以控制焊缝成形。 寻求合适参量以对焊缝成形进行表征,是评判焊缝成形质量的关键。本文结合电子束焊接过程特点以及实际条件,基于图像方法,对上述问题进行了分析和探讨。 研究中利用图像传感系统,得到了高强Al-Cu合金电子束焊接过程图像,定义并提取了表征图像特征区域的特征参数:宽(W)、前长(LF)和后长(LR);进而对熔池行为进行了预分析。结果表明,图像特征区域的前半部分和后半部分在焊接过程中的表现行为有所不同,W或LF可以表征前半部分,LR表征后半部分。W和LR的统计分布近似于正态分布,这说明对其进行统计分析切实可行。通过对电子束定点焊接过程中特征参数的变化规律的分析可知,电子束焊接熔深h在很短时间内就能达到一稳态值,后续由时间累积引起的熔深的增量相对较小;W能够反映特定输入能量下得到的熔深大小。在电子束连续焊接时,焊接速度快,固定点的焊接时间短,熔深在很短时间内即形成,因此,可以建立连续焊接试验时的W与h之间的对应关系。 采用流体力学分析软件Fluent建立了电子束匙孔反冲金属蒸气模型,分析了不同的焊接熔深时匙孔上方的特征区域变化情况,利用此模拟结果对高强Al-Cu合金电子束焊接过程图像的特征区域进行了理论阐述。研究中定义出口处金属蒸气的截面宽为蒸气宽。结果表明,对于匙孔直径为0.5mm的匙孔模型,随着熔深的增加,蒸气宽增大。此结果与实际焊接过程中特征区域的变化相符合,即通过模拟计算,对图像特征区域进行了定性的理论分析,为后续的研究提供了理论根据。 上述结果解决了用什么指标来评判焊缝成形质量这个关键前提。于是,怎样评判焊缝成形质量这一问题就可以求解了。研究中对焊缝成形质量的评判主要集中在熔透点的判别、焊缝表面成形质量的评定以及熔深大小的预测三个方面。同时基于图像方法,对三者分别进行了研究。 研究中发现,W能够响应出熔透信息:焊接熔深状态由未熔透向熔透转变时,特征参数W先出现微小的增幅,之后迅速衰减。使用小波分析方法,对这一熔透信息进行了识别。结果表明,从焊接起始阶段开始,W的小波分析第1层和第2层高频分解系数第2次出现尖脉冲信号的时刻,对应焊接熔深状态由未熔透向熔透的过渡,即由此完成了熔透点的判别。研究中通过Matlab软件,将整个识别过程编制成了界面程序,在实际识别过程中,只需操作此界面即可对熔透信息进行识别。 研究结果表明,焊缝表面成形质量可以通过特征参数W和LR的变异系数VW和VRL进行评定,且VW和VRL评定焊缝表面成形质量的效果基本一致。研究中得到了熔深h和特征参数W之间的函数对应关系,基于此函数就可以在非破坏情况下利用图像特征参数W来预测熔深大小。 本文基于图像方法得到的熔深大小预测公式是对焊缝整体形貌在深度方向上的单一的预测,并不能得到焊缝的详细形貌。为了解决这一问题,本文基于上述分析结果,提出了基于图像方法,利用嵌套式组合热源模型模拟焊缝整体形貌的新思路:在非破坏情况下,由图像实时得到熔深,进而得到相应熔深时的准确热流密度,最终得到精确的焊缝整体形貌。试验中只要将图像特征参数和工艺参数输入模型,就可以得到更为精确的焊接温度场和焊缝整体形貌。通过电子束焊接厚板高强Al-Cu合金试验验证了模型的可靠性,从而证实了这一新思路的可行性。这一新思路,不仅克服了由图像只能得到焊缝单一方向上的大小的不足,也解决了热源的热流密度形式不能精确获得这一普遍存在的问题。将图像融入到热源模拟中,为焊缝整体形貌的模拟提供了一种有效方法。


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