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论钎焊铝/钢异种金属激光填充粉末熔钎焊接技术

收藏本文 2024-03-26 点赞:6363 浏览:18517 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:本论文针对铝/钢异种金属接头的焊接不足,提出了一种宽带激光填充粉末熔钎焊策略。本策略中宽带激光光斑有助于扩大熔池、增加接头尺寸,同步送进的金属粉末不仅改善了焊缝组织成分,还提升了激光束与铝合金母材的能量耦合效率和焊接效率。主要探讨内容为以下三个方面:1.系统探讨了焊接工艺参数对接头成形、焊缝组织和接头力学性能的影响,重点浅析了接头中金属间化合物组织与接头力学性能的联系。2.通过实验观察了激光束、粉末束和母材相互作用的物理历程,揭示了激光填充粉末熔钎焊焊接熔池形成的机制,揭示了增强激光能量耦合效率的根本理由。3.通过建立焊接历程中熔池温度场的有限元模型,浅析了温度场对接头钎接界面宽度和金属间化合物生长的影响,以及合金元素扩散的距离,并提出了预测激光填充粉末熔钎焊接头性能的策略。采取本论文提出的策略实现了无钎剂AA6061/镀锌钢接头熔钎焊连接。采取适当的焊接工艺参数获得了成形饱满,无裂纹、气孔等缺陷的焊缝。接头机械抗力达到152N/mm。焊接试验表明焊接工艺参数对接头成形有很大的影响。离焦量较小时,激光功率和焊接速度的参数范围较宽。接头界面宽度随激光功率和离焦量的增大而增加,随焊接速度增加而减小。离焦量相同时,激光功率和焊接速度对钎接界面宽度的影响相当;激光功率和焊接速度相同时,增大离焦量有助于增加钎接界面的宽度。熔钎焊接头中钎接界面上的金属间化合物由层状和枝晶状结构组成,层状组织以Fe2Al5相为主,Fe4Al13相仅分布在上层靠近铝合金组织区域。枝晶状组织以Fe-Al和Al-Fe-Si化合物为主,主要组成相为τ1、Fe4Al13和τ5。在焊缝/镀锌钢界面上生长有少量Al5Fe2Zn0.4。显微硬度测试表明金属间化合物组织的硬度显著高于母材硬度,其中层状组织的硬度最高。静载拉伸试验中,接头均断裂在焊缝/镀锌钢界面,呈脆性断裂特点。接头强度与的比值呈正比,层状Fe2Al5相是影响接头性能的主要因素。通过选择高功率高焊速的焊接条件能够获得力学性能较高的熔钎焊接头。激光束与粉末束相互作用后,约10-15%的激光能量被衰减。粉末束吸收激光能量后温度升高,但粉末束最高温度仅约100℃。粉末颗粒与母材表面发生非弹性碰撞,粉末束反弹角受保护气流态影响。实验发现粉末颗粒在母材表面熔化形成微熔池对提升能量耦合效率具有重要作用,是填充粉末能够提升激光能量偶和效率的根本理由。采取有限元法模拟了宽带激光填充粉末熔钎焊历程中的温度场。结果表明在钎料/镀锌钢界面会有着一定宽度的温度线。这种温度分布形式有助于增加钎接界面的宽度。金属间化合物层厚度则受热输入量和界面最高温度共同影响。通过温度场模拟计算了熔池凝固的时间,并根据扩散动力学浅析结果计算了Fe元素的扩散距离。综合浅析结果归纳出预测接头机械抗力的数值表达式,计算结果与实验结果较为吻合。关键词:宽带光斑论文填充粉末论文熔钎焊论文铝/钢异种金属论文界面显微组织论文激光能量耦合论文

    摘要4-6

    Abstract6-11

    第1章 绪论11-29

    1.1 探讨背景11-12

    1.2 铝钢激光焊接技术国内外探讨近况12-22

    1.2.1 激光深熔焊14-15

    1.2.2 激光滚、压焊15-17

    1.2.3 激光熔钎焊17-20

    1.2.4 探讨热点20-22

    1.2.4.1 金属间化合物20-21

    1.2.4.2 接头成形/浸润性改善21-22

    1.2.4.3 焊接温度场22

    1.3 激光填充粉末焊接22-23

    1.3.1 激光填充粉末深熔焊接22-23

    1.3.2 激光填充粉末热导焊23

    1.4 激光束与粉末束的相互作用23-26

    1.4.1 粉末颗粒对激光的吸收24

    1.4.2 激光功率的衰减24-26

    1.4.3 粉末束的温升26

    1.5 本课题探讨目的与内容26-27

    1.6 本论文结构27-29

    第 2 章 焊接工艺与接头成形29-39

    2.1 填充粉末熔钎焊策略29

    2.2 实验材料29-30

    2.3 宽带光纤激光填充粉末熔钎焊接系统30-34

    2.3.1 焊接设备30-32

    2.3.2 送粉器32

    2.3.3 宽带送粉喷嘴32-34

    2.4 宽带激光填充粉末熔钎焊接头成形34-38

    2.4.1 实验布置的优化34-35

    2.4.2 接头成形的特点35-36

    2.4.3 工艺参数对熔钎焊接头成形的影响36-38

    2.5 本章小结38-39

    第3章 熔钎焊接头显微组织与力学性能39-71

    3.1 浅析测试设备与策略39-40

    3.1.1 显微组织浅析设备与策略39-40

    3.1.2 接头机械性能测试设备40

    3.2 熔钎焊接头显微组织40-54

    3.2.1铝合金显微组织41-46

    3.2.2 钎接界面显微组织46-54

    3.2.2.1 金属间化合物组织形态46-48

    3.2.2.2 金属间化合物组织相组成48-54

    3.3 接头力学性能54-59

    3.3.1 显微硬度55

    3.3.2 拉伸性能55-59

    3.4 金属间化合物组织对力学性能的影响59-69

    3.4.1 工艺参数对金属间化合物层厚度的影响59-61

    3.4.2 金属间化合物组织的生长历程61-66

    3.4.2.1 Si 元素的影响61-63

    3.4.2.2 金属间化合物组织的生长63-66

    3.4.3 影响力学性能的因素66-69

    3.5 本章小结69-71

    第4章 激光束、粉末束与母材的相互作用71-93

    4.1 浅析测试设备与策略71-73

    4.1.1 实验材料与设备71

    4.1.2 实验策略71-73

    4.1.2.1 激光束与粉末束的相互作用71-72

    4.1.2.2 激光填充粉末熔钎焊接历程观察72-73

    4.2 激光束与粉末束的相互作用73-81

    4.2.1 激光功率的衰减74-75

    4.2.2 粉末束的温升75-77

    4.2.3 粉末颗粒与母材表面的碰撞77-78

    4.2.4 粉末颗粒浓度场浅析78-81

    4.2.4.1 初始浓度场特点78-80

    4.2.4.2 碰撞前后的粉末颗粒浓度场变化80-81

    4.3 激光填充粉末焊接历程观察81-83

    4.3.1 填充粉末焊接熔池的形成81-82

    4.3.2 熔钎焊焊接历程中82-83

    4.4 激光填充粉末熔钎焊历程的建立83-91

    4.4.1 激光束与粉末束的作用83-85

    4.4.1.1 激光能量的衰减83-84

    4.4.1.2 粉末束的温升84-85

    4.4.2 粉末颗粒的熔化阈值85-87

    4.4.3 填充粉末熔钎焊熔池形成的机制87-89

    4.4.4 激光填充粉末焊缝熔池形成的物理历程89-90

    4.4.5 影响熔池形成的因素90-91

    4.4.5.1 表面张力90-91

    4.4.5.2 吸收率91

    4.5 本章小结91-93

    第5章 激光填充粉末熔钎焊接头性能预测93-115

    5.1 接头性能预测策略93-94

    5.2 熔钎焊传热浅析及求解策略94-97

    5.2.1 物质传热的制约方程95-96

    5.2.2 填充粉末熔钎焊接历程浅析96

    5.2.3 温度场的求解策略96-97

    5.3 填充粉末熔钎焊有限元模型97-102

    5.3.1 热源的选择97-98

    5.3.2 铝合金对光纤激光的吸收率98-101

    5.3.3 边界条件和初始条件101-102

    5.3.4 材料的物理性质102

    5.4 合金元素的扩散动力学浅析102-105

    5.5 接头性能的预测105-113

    5.5.1 温度场模拟结果106-108

    5.5.2 温度场对钎接界面宽度的影响108-110

    5.5.3 温度场对金属间化合物生长的影响110-111

    5.5.4 接头性能的预测111-113

    5.6 本章小结113-115

    结论115-117

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