鋁合金激光深熔焊接氣孔缺陷形成過程研究.pdf

1、鋁及鋁合金由于其密度低、比強(qiáng)度較高等特質(zhì)，在汽車輕量化的趨勢(shì)下被越來越多地應(yīng)用到車身中。然而激光深熔焊接鋁合金過程中小孔的不穩(wěn)定性，會(huì)導(dǎo)致小孔型氣孔的產(chǎn)生，從而對(duì)焊縫的綜合力學(xué)性能造成較大的影響。研究發(fā)現(xiàn)，小孔的動(dòng)態(tài)行為和熔池的流動(dòng)對(duì)小孔型氣孔的形成具有十分重要的作用。而通過改變焊接工藝可顯著影響小孔和熔池的動(dòng)態(tài)行為，進(jìn)而有效改善氣孔的形成情況，從而提高焊接構(gòu)件的性能。
　　本文以激光焊接鋁合金為研究對(duì)象，采用試驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方

2、法，來探究激光深熔焊接鋁合金過程中氣孔的特征、焊接工藝對(duì)氣孔形成的影響規(guī)律、焊接過程中小孔上方的金屬蒸氣羽煙形貌、小孔的動(dòng)態(tài)變化過程、熔池的流動(dòng)情況、氣泡和氣孔的產(chǎn)生，并提出合理控制小孔型氣孔的方法。
　　首先采用光纖激光對(duì)8mm厚A356鋁合金和5182鋁合金薄板進(jìn)行焊接試驗(yàn)，表征了小孔型氣孔和冶金型氣孔的分布特征、宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)冶金型氣孔內(nèi)壁的鋁硅共晶大小均勻、排列整齊，而小孔型氣孔內(nèi)部的鋁硅共晶大小不一，排列沒有規(guī)律。統(tǒng)計(jì)分

3、析發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率變大或光斑直徑縮小時(shí)，高速攝像拍攝到的金屬蒸氣羽煙變化非常劇烈，此時(shí)焊縫中氣孔明顯增多；在焊接速度為2.0 m/min，氣孔得到了較好的改善，這是由于小孔穩(wěn)定性與凝固界面移動(dòng)速度競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果；環(huán)境壓力的降低導(dǎo)致焊縫中的小孔型氣孔明顯減少，同時(shí)環(huán)境壓力的改變影響了材料的沸點(diǎn)和蒸發(fā)反作用力大小，使得焊縫的熔深加深，熔寬變窄，深寬比增大；當(dāng)焊接搭接板時(shí)，兩板之間的間隙量會(huì)影響小孔的穩(wěn)定性導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生，且間隙量越大、氣孔率越高，

4、但當(dāng)間隙量大到0.4 mm時(shí)，會(huì)導(dǎo)致小孔不斷坍塌，焊縫可靠性大大降低。
　　其次，以Flow3D為平臺(tái)，建立了激光深熔焊接鋁合金的數(shù)學(xué)模型，模型引入熱源模型、驅(qū)動(dòng)力模型、凝固與相變模型和恒壓氣泡模型等并設(shè)置合理的初始與邊界條件，成功模擬了焊接過程中熔池流場(chǎng)、小孔的動(dòng)態(tài)變化過程以及小孔型氣孔的產(chǎn)生過程。模擬結(jié)果表明，小孔型氣孔有兩種產(chǎn)生途徑：一是小孔坍塌產(chǎn)生氣泡，氣泡被凝固界面捕獲形成氣孔；二是小孔直接與凝固界面連接并發(fā)生坍塌，被隔