6061铝合金激光-MIG复合焊接匙孔稳定性研究

作     者：刘婷 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：傅仁利;占小红

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：激光-MIG复合焊接 匙孔稳定性 气孔率 熔池流动 熔滴过渡 

摘      要：6061铝合金是航空、航天、轨道交通等领域常用的结构材料,其焊接工艺的研究对于提高产品质量与生产效率具有重要意义。中等厚度6061铝合金结构的焊接,目前主要采用多层电弧焊接、等离子焊接、搅拌摩擦焊接等工艺。激光-MIG（Melt Inert Gas）复合焊接技术兼备激光焊接与电弧焊接的优点,具有能量密度高、效率高、桥接能力强等特点,成为连接中等厚度铝合金结构的高效连接方法,极具应用前景。考虑到中厚板6061铝合金激光-MIG复合焊接存在的气孔缺陷,本文采用实验与仿真相结合的研究方法,研究了激光-MIG复合焊接过程温度场、流场分布特征及匙孔动态行为,并深入探究了匙孔稳定性对焊缝气孔率的影响,为进一步优化激光-MIG复合焊接工艺参数、抑制焊缝气孔奠定理论基础。首先,采用高功率碟片激光器、MIG焊接系统和KUKA机器人开展了6 mm厚6061铝合金激光-MIG复合焊接实验,对焊接接头宏观形貌、微观组织形貌、气孔分布规律及气孔率、元素分布进行了分析,并借助高速摄像系统对焊接过程中的熔滴过渡、匙孔动态行为进行了观察。研究结果表明,焊接工艺参数对气孔率具有较大影响。熔滴过渡对匙孔开口大小影响显著,其中,在熔滴生长后期匙孔波动最剧烈,在熔滴与熔池接触时匙孔开口直径最小。其次,针对激光-MIG复合焊接过程中的温度场、流场分布特性开展了研究,建立了气-液-固三相数学模型,并借助于质量、能量、动量控制方程组、流体体积函数法建立固-液两相连续模型和气/液界面追踪模型。对热源模型校核后,开展了不同工艺参数下激光-MIG复合焊接过程中熔池和匙孔动态行为研究。研究结果表明,匙孔壁和熔池表面流速最快,熔池尾部受Marangoni环流和表面张力的共同作用向后延伸。熔滴过渡过程中匙孔形态的变化主要体现在匙孔后壁受熔滴的挤压导致匙孔形貌发生改变,从而影响匙孔稳定性。匙孔的深度变化大致分为三个阶段,即线性增长阶段、振荡增长阶段和稳态波动阶段。其中,工艺参数对焊接过程进入稳态波动阶段时间的影响尤为显著。最后,结合实验结果与模拟结果,探究了匙孔对冶金气孔和工艺气孔形成的影响机理,并重点考察了6061铝合金激光-MIG复合焊接过程中匙孔稳定性对焊缝气孔率的影响。研究表明,匙孔的动态行为对气孔的形成具有一定影响,匙孔稳定性与焊缝气孔率存在较为明显的负相关关系。