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《兰州理工大学》 2007年
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不等厚铝合金薄板激光拼焊及数值模拟

余淑荣  
【摘要】: 拼焊板是近年来用于汽车车身制造的一种重要技术,其焊接质量的优劣及残余应力状态与变形的大小对后续的冲压成形工艺和产品的使用性能都有很大影响。本文研究了不等厚铝合金薄板的激光填粉拼焊工艺,分析了填加粉末能提高焊接过程稳定性的内在机理,研究了影响焊接过程稳定性和焊缝成形性能的主要因素及影响规律,并得到了焊缝成形和接头质量优良的拼焊板;同时,建立了一种新的热源物理模型,用有限元方法对不等厚铝合金激光拼焊的温度场和应力应变场进行了数值模拟,分析了拼焊板的残余应力分布和变形特点,为预测和控制拼焊板的残余应力与变形、优化焊接工艺以及冲压成型工艺提供了试验基础和理论依据。 采用CO_2激光器,在填加合金粉末和不填加粉末两种条件下,进行了不等厚铝合金(5052、5056)薄板的激光拼焊,研究了影响焊接过程稳定性的主要因素,分析了各种因素(包括铝合金表面涂粉、激光器的输出功率、焊接的速度、离焦量等)对焊缝成形和焊接宏观质量的影响规律。结果表明,镁含量较高的铝合金对激光束的吸收率高,因此达到稳定深熔焊的临界功率密度较低,容易获得稳定的深熔焊过程。填粉能提高铝合金对激光的吸收率,从而降低激光深熔焊的临界功率密度,同时,填粉能使激光焊接中等离子体更加稳定,从而使焊接过程更趋稳定。在相同焊接条件下,填加粉末后更容易形成稳定的深熔焊接过程,更易得到成形优良的焊缝。 利用SEM、EPMA、原子吸收分析(AAS)、显微硬度仪、拉伸试验等手段研究了两种铝合金激光拼焊板接头金相组织、焊缝镁元素烧损,并对两种铝合金激光拼焊板焊接接头性能进行测试分析。结果表明,焊缝中心组织为非常细小均匀的胞状等轴晶;随铝合金含镁量增加,激光焊接时镁元素的损耗也增大;填粉的铝合金5052拼焊板焊缝区的显微硬度要比不填粉的高,且在薄板母材的热影响区存在软化现象。而5056拼焊板焊缝的显微硬度在填粉和不填粉两种情况下都与母材的相当。铝合金拼焊板纵向拉伸试样的延伸率显著减小,5052拼焊板的横向拉伸试样均断于薄板热影响区,主要原因是半硬态的薄板热影响区材料在激光焊接中被软化,但5056拼焊板的横向拉伸试件均断裂于薄板母材;拼焊板的横向拉伸试样的变形能力与母材中变形能力较好的板料所占比例有关,该比例越大则拼焊板的变形能力越强。拼焊板的横向拉伸试样断口均为韧性断口。 在温度场有限元模拟中,通过对不等厚铝合金激光拼焊焊缝截面形状的分析,建立了一种新的激光焊接热源模型,即面-体-面组合热源模型。利用ANSYS软件的APDL语言编写程序实现移动热源的加载。在模拟中既考虑一般激光焊接中材料热物理性能参数的温度相关性、熔化潜热、等离子体及保护气体等对温度场的影响,又考虑不等厚铝合金激光拼焊的特性。模拟结果显示,不等厚铝合金拼焊的温度场分布不对称。利用高温热电偶检测不等厚铝合金薄板激光拼焊过程中的温度场,结果表明模拟值与实测值吻合良好。 分别选用两种不同的热源模型:面-体组合热源模型和面-体-面组合热源模型,用有限元法对不等厚铝合金激光拼焊的温度场进行三维瞬态有限元分析,结果表明:采用面-体-面组合热源模型模拟的焊缝形状与实际拼焊的焊缝形状最为接近。 在温度场模拟的基础上,用间接法模拟应力应变场。指定塑性分析选项为经典的双线性随动强化模型(BKIN)。模拟结果显示,拼焊板的应力场、应变场分布不对称。薄板焊缝附近的拉应力分布范围较大,薄板的变形比厚板复杂且比厚板大。利用小孔释放法检测不等厚铝合金激光拼焊板的残余应力,并测量拼焊板的角变形,结果显示模拟值与实测值吻合良好。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TG456.7

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【引证文献】
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5 王者昌;;焊接应力变形原理若干问题的探讨(3)[A];第十六次全国焊接学术会议论文摘要集[C];2011年
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