【摘要】：鋁合金具有良好的焊接性,低溫韌性和優(yōu)異的耐腐蝕性,廣泛應(yīng)用于船舶建造,液化天然氣(LNG)儲(chǔ)罐和高壓容器等許多行業(yè)。但是在鋁合金激光焊過程中,鋁合金的表面張力小和導(dǎo)熱快,易產(chǎn)生匙孔型氣孔。匙孔型氣孔和匙孔的穩(wěn)定性密切相關(guān),匙孔型氣孔的產(chǎn)生會(huì)大大削弱焊縫的整體力學(xué)性能。匙孔的動(dòng)態(tài)行為和熔池的流動(dòng)對(duì)匙孔型氣孔的形成有重要影響,但是一些有用的信息很難完全依靠實(shí)驗(yàn)獲得,如氣孔形成與合并密切相關(guān)的溫度場和流場等。本文綜合采用實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,探究激光焊過程中氣孔的機(jī)理,并為提出抑制匙孔型氣孔的有效工藝措施提供理論依據(jù)。通過對(duì)焊接工藝的探索,成功獲得焊縫成形良好、表面光滑整潔、氣孔少和強(qiáng)度高的10 mm厚鋁合金的激光-GMAW復(fù)合焊接頭,最終,采用雙面激光-GMAW復(fù)合焊成功實(shí)現(xiàn)30 mm厚鋁合金的2道次焊接。本文首先建立了激光菲涅耳吸收和多重反射的三維數(shù)值模型,基于自由表面追蹤法(Volume of Fluid,VOF),實(shí)現(xiàn)了氣孔形成過程的3D動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬。借助高速攝影拍攝觀察,研究分析了鋁合金激光焊匙孔及熔池的動(dòng)態(tài)行為,揭示了匙孔坍塌和氣孔產(chǎn)生的機(jī)理。發(fā)現(xiàn)在鋁合金激光焊中,匙孔后壁的熔融金屬流動(dòng)更劇烈,深寬比較大會(huì)使匙孔更加不穩(wěn)定,匙孔后壁處形成凸起與匙孔的前壁接觸,導(dǎo)致匙孔坍塌形成氣泡。匙孔不穩(wěn)定性產(chǎn)生的氣泡和由凝固界面捕捉的氣泡是影響鋁合金激光焊匙孔型氣孔形成的主要因素。同時(shí),鋁合金和鋼激光焊間氣孔形成的差異性也被闡明,即在鋁合金激光焊中,凝固速率更大和逃逸路徑更長使氣泡容易被凝固界面捕捉,并且更容易發(fā)生氣泡合并,所以易形成更多數(shù)量和更大尺寸的氣孔。其次,本文提出抑制匙孔型氣孔產(chǎn)生的兩個(gè)舉措,即提高匙孔的穩(wěn)定性和氣泡必須在其逃逸或溶解到熔池之前不被凝固界面捕捉�；谌S數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,獲得了預(yù)熱、焊接速度和穿透焊對(duì)鋁合金激光焊氣孔影響規(guī)律。結(jié)果表明預(yù)熱溫度為100℃時(shí),匙孔坍塌頻率(46 Hz)小于未預(yù)熱下的匙孔坍塌頻率(70 Hz),且氣泡不易被凝固界面捕捉形成氣孔;隨焊接速度增大,匙孔的穩(wěn)定性提高,氣泡易從熔池中逃逸;激光穿透焊時(shí),匙孔的后部存在兩種流動(dòng)模式,雖坍塌頻率提高,但坍塌之后不易形成氣泡及氣孔。基于高速攝影觀察匙孔和熔池,實(shí)驗(yàn)研究了保護(hù)氣體氮?dú)�、氬氣及氣流量和噴嘴位置�?duì)氣孔敏感性的影響。結(jié)果表明:Ar和N_2分別作為保護(hù)氣體,從實(shí)驗(yàn)觀察統(tǒng)計(jì)看,匙孔坍塌頻率差異不大,但X射線探傷結(jié)果N_2作為保護(hù)氣的焊縫氣孔小于Ar作為保護(hù)氣的焊縫氣孔,氣孔較少的原因是氮在鋁中的溶解度值約為2.72 wt%-3.58 wt%,并且進(jìn)入焊縫金屬中的氮含量為3.5×10~-33 wt%,N_2氣泡能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速分解并溶解到液態(tài)5083鋁合金熔池中;隨著保護(hù)氣流量增大到20 L/min,氣孔的數(shù)量明顯減少,氣孔敏感性減少主要是因?yàn)槿鄢氐牟▌?dòng)減緩、飛濺減少和坍塌頻率降低,但是在20 L/min和30 L/min氣流量下,氣孔的數(shù)量基本不變;噴嘴后置可以穩(wěn)定匙孔,從而顯著減少氣孔數(shù)量。針對(duì)在鋁合金激光焊中,低沸點(diǎn)元素鎂具有蒸發(fā)問題,借助透明玻璃和高速攝影,實(shí)驗(yàn)研究了1050、6061、2A12、5754、5083和5A06鋁合金激光焊匙孔和熔池的動(dòng)態(tài)行為差異性�；趯�(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,揭示了焊縫中鎂元素含量與氣孔敏感性之間的關(guān)系,分析了各種鋁合金激光焊中氣孔數(shù)量和分布趨勢的原因。結(jié)果表明:隨著鎂元素含量增加,匙孔深度增加,需要更長的時(shí)間才能達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。此外,匙孔更加穩(wěn)定,形成的匙孔型氣孔較少�；谧饔迷诔卓妆谏系氖芰Ψ治隹芍�,高蒸發(fā)反作用力有助于提高匙孔的穩(wěn)定性,從而降低氣孔的敏感性。當(dāng)鋁合金激光焊具有較高的鎂元素含量時(shí),由于匙孔容易在中部和底部區(qū)域坍塌,所以在焊縫的中部和底部氣孔分布更集中。最后,研究了激光-GMAW復(fù)合焊對(duì)氣孔的影響規(guī)律,分析對(duì)比了激光引導(dǎo)電弧復(fù)合焊(Laser Arc Hybrid Welding,LAHW)和電弧引導(dǎo)激光復(fù)合焊(Arc Laser Hybrid Welding,ALHW)對(duì)氣孔、焊縫組織的影響,得到了10 mm和30 mm厚板鋁合金的激光-GMAW復(fù)合焊的優(yōu)質(zhì)接頭。研究結(jié)果表明:激光-GMAW復(fù)合焊增加了匙孔穩(wěn)定性、氣泡不易產(chǎn)生和產(chǎn)生后的氣泡易逃逸,所以焊接接頭氣孔的敏感性降低了;與ALHW相比,LAHW降低氣孔敏感性的三個(gè)因素是熔池中的卷入空氣更少、匙孔的穩(wěn)定性更好和氣泡更容易從熔池中逸出。ALHW和LAHW焊縫組織由熔合線附近的柱狀晶和焊縫中心的等軸晶組成,LAHW焊縫組織晶粒尺寸較大,但接頭的強(qiáng)度較高,這是由于氣孔較少、Mg的燒損較少和均勻分布的第二相顆粒更多。采用2道次LAHW方法焊接30 mm厚鋁合金,接頭強(qiáng)度達(dá)到263 MPa,達(dá)到母材的88.0%。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG457.14
【圖文】：

第一章 緒論.1 課題背景近年來，由于能源缺口的增加，天然氣資源已迅速成為石油能源的替代角色是世界天然氣資源在分布上是極不平衡的，管道天然氣的進(jìn)口通常難以實(shí)現(xiàn)成了過強(qiáng)的單向依賴性，液化天然氣(LNG)進(jìn)口則需要海上的長途運(yùn)輸。對(duì) LN斷增長的需求也推動(dòng)了蓬勃發(fā)展的 LNG 運(yùn)輸船制造業(yè)，圖 1-1 是 Moss 型 LN。2017 年 6 月，滬東中華造船廠接到日本 4 艘價(jià)值 52 億元人民幣的 LNG 運(yùn)訂單，更加有力地證明了這一點(diǎn)。隨著汽車、造船和航空航天等重工業(yè)的快展，也要求越來越高的焊接技術(shù)，即提高焊接的效率和保證好的焊接質(zhì)量。技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一是如何同時(shí)提高焊接效率和保證焊接質(zhì)量，所以高和高質(zhì)量的焊接技術(shù)的發(fā)展刻不容緩，這使科研人員肩負(fù)著的重大使命[1,2]。

第一章 緒論界面捕捉而形成氣孔，這樣的氣孔通常是球形狀且尺寸很小[33,34]。匙孔型氣孔的形成機(jī)理與冶金型氣孔的機(jī)理完全不同，由于激光焊匙孔是不穩(wěn)定的，匙孔的根部容易形成氣泡，這一類氣孔有許多不規(guī)則的形狀和較大的尺寸，內(nèi)壁一般也較粗糙[35]。激光焊大量應(yīng)用于焊接鋁合金和鋼等材料，但焊接過程中可能會(huì)出現(xiàn)匙孔型氣孔。由于大多數(shù)工藝型氣孔的特征是不規(guī)則的形狀和較大的尺寸， 容易產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，并且在不規(guī)則氣孔的尖端處傾向于萌生裂紋，這將大大削弱接頭強(qiáng)度[36-38]。(a)

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 華學(xué)明;蔡艷;吳毅雄;王歡;石少堅(jiān);唐永生;;大型LNG船圍護(hù)系統(tǒng)低溫金屬材料焊接技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J];電焊機(jī);2015年05期

2 林賢軍;汪認(rèn);茍國慶;;坡口型式對(duì)5083鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接頭組織性能的影響[J];電焊機(jī);2014年05期

3 汪任憑;雷永平;史耀武;;激光深熔焊中匙孔形成過程的動(dòng)態(tài)模擬[J];焊接學(xué)報(bào);2010年11期

4 張瑞華;陳磊;冷小冰;;大功率激光焊熔池特性的數(shù)值模擬[J];焊接;2009年10期

本文編號(hào)：2724083