鍍鋅鋼板激光填絲釬焊工藝與熱過程數(shù)值模擬.pdf

1、鍍鋅鋼板由于低熔點鍍層金屬的存在，給其焊接帶來了困難。激光高溫釬焊工藝的開發(fā)改進(jìn)了在接頭強度、氣孔、成形、接頭抗腐蝕性能及焊接效率等方面存在的問題。這在工業(yè)生產(chǎn)中給結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)、成本降低提供了可能。由于激光的加熱特點及焊絲實時填加的影響，激光填絲釬焊過程的影響因素眾多、工藝復(fù)雜，過程穩(wěn)定性和接頭質(zhì)量需要得到進(jìn)一步的提高。全面研究及定量評價各參數(shù)對焊接過程的影響規(guī)律具有重要的理論與實際意義。本文針對汽車工業(yè)中常用的鍍鋅薄鋼板卷對接接頭的連

2、接，研究了各參數(shù)對釬縫成形、界面特征的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，計算、分析了不同加熱條件下的釬料溫度分布和流動鋪展成形。為深入理解激光填絲釬焊連接機理、開發(fā)新的激光填絲釬焊工藝提供技術(shù)支持和理論基礎(chǔ)。
　　在激光加熱條件下，采用高速攝像系統(tǒng)觀察和記錄了預(yù)置于母材表面的釬料熔化鋪展過程，研究了激光功率、光斑直徑、加熱時間等參數(shù)對釬料鋪展效果的影響。進(jìn)一步的，觀察和描述了實際填絲釬焊中釬料的熔化及鋪展過程。發(fā)現(xiàn)釬料表面張力對其流動鋪展成形

3、有重要影響，釬料溫度與母材溫度共同決定了其鋪展性能，良好的釬焊過程需要考慮激光功率、焊接速度、送絲速度、激光加熱位置等參數(shù)的匹配。
　　在對圓形單光束激光填絲釬焊進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，本文提出雙焦點激光填絲釬焊新工藝。與單光束相比，光束特征參數(shù)增加了雙束激光功率配比、焦點間距、離焦方式、光束排布等參數(shù)，使雙焦點光束激光釬焊更具靈活性。結(jié)合激光加熱參數(shù)與光斑特征參數(shù)，可以改變釬焊熱源能量密度分布，實現(xiàn)不同要求的加熱效果。試驗發(fā)現(xiàn)，雙焦點

4、光束激光填絲釬焊過程對焊接參數(shù)的變化具有更大的適應(yīng)性，能夠提高激光能量利用率。
　　基于延長釬料與母材作用時間、改進(jìn)接頭下部界面結(jié)合質(zhì)量的出發(fā)點，進(jìn)一步提出矩形光斑激光填絲釬焊工藝。采用積分鏡來獲得長度方向能量均勻分布的矩形光斑。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用合適的釬焊參數(shù)，矩形光斑激光填絲釬焊接頭具有更小的焊縫寬度、更寬的釬料與母材接觸面積，能有效降低鍍鋅層的燒損，但焊接過程適應(yīng)性較低，激光能量的利用率下降。
　　在對釬縫成形性能研究

5、的基礎(chǔ)上，采用金相顯微鏡、電子探針掃描、SEM及EDS等手段，對接頭組織及界面行為進(jìn)行了觀察和分析。發(fā)現(xiàn)以CuSi3為填充材料的釬縫組織為以胞狀樹枝晶為主的α固溶體；界面附近的母材受焊接熱作用而形成粗晶區(qū)。對不同加熱條件下的界面形態(tài)進(jìn)行了 SEM分析，揭示了釬縫界面金屬間化合物形成機制，界面金屬間化合物層厚度和形態(tài)與焊接熱循環(huán)及界面溫度梯度有很大關(guān)系。
　　建立激光加熱下釬料流動鋪展的熱流耦合數(shù)學(xué)模型，考慮釬料自由表面的演變，采用

6、有限元方法，模擬了激光定點加熱、圓形單光束加熱、雙焦點光束加熱及矩形光斑加熱下的釬料鋪展過程溫度場、流場分布和形狀變化。計算結(jié)果表明，激光定點加熱時，光斑直徑對釬料鋪展形狀影響顯著，自由表面上的溫度梯度和釬料液滴形狀是釬料內(nèi)部流動的主導(dǎo)因素。采用圓形單光束激光加熱時，釬料升溫迅速，上下部分具有較大的溫度梯度；雙焦點激光和矩形光斑加熱下，釬料溫度升高緩慢，內(nèi)部溫度分布更為均勻。單光束加熱初期，釬料以向下填充釬縫接頭間隙的流動為主，釬縫形狀