变形镁合金脉冲激光点焊的工艺及机理研究
发布时间：2023-01-30 22:48
镁合金电阻点焊的成形性非常不理想,为探索变形镁合金在汽车白车身的生产制造中的应用,亟需开发新的适应于自动化生产的点焊技术。Nd:YAG脉冲激光点焊是一种高效的精密焊接方法,具有焊接时间短和焊接精度高等优点,并且对焊接结构及夹具的空间分布的要求较低,因而是一种理想的汽车白车身的自动化生产点焊技术。目前,Nd:YAG脉冲激光点焊的研究主要集中在不锈钢、低碳钢和铝合金等材料,而针对镁合金的研究还鲜有报道。本文针对应用较广泛的AZ31变形镁合金,首次开展镁合金脉冲激光点焊的工艺及机理研究。文中的主要研究内容和研究成果如下:（1）在激光工艺控制系统默认的Rectangle（矩形）脉冲波形下,分析脉冲激光焊点的形成机理、显微组织特征以及焊点缺陷的形成原因和工艺特性。结果表明:当激光束的脉冲峰值功率密度大于2.5 GW/m~2而小于4.5 GW/m~2时,焊点类型为热传导焊;当脉冲峰值功率密度大于4.5 GW/m~2时,焊点类型为深熔焊。熔池中的流体主要受Marangoni对流驱动,而Buoyancy对流对其影响不大。焊点金属中的析出相为Mg17Al12,...
【文章页数】：151 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 脉冲激光点焊技术的研究现状
1.2.1 脉冲激光点焊工艺特性的研究进展
1.2.2 脉冲波形特性的研究进展
1.2.3 脉冲激光点焊热源模型的研究进展
1.2.4 脉冲激光点焊熔池流体流动行为的研究进展
1.3 镁合金激光焊接缺陷的研究现状
1.3.1 镁合金激光焊接热裂纹的研究进展
1.3.2 镁合金激光焊接气孔的研究进展
1.4 本文主要研究内容
第2章 实验方法及模型建立
2.1 实验材料
2.2 实验设备及方法
2.2.1 实验设备及参数
2.2.2 实验方法
2.3 焊点特征值测量及组织分析
2.4 有限元仿真模拟
2.4.1 热传导控制方程
2.4.2 模型网格划分及热物性参数确定
2.4.3 热源模型选择
2.4.4 初始条件、边界条件及前提假设
2.4.5 热源模型验证
2.4.6 模拟结果处理
2.5 本章小结
第3章 AZ31 镁合金的Rectangle(矩形)脉冲激光点焊特性
3.1 脉冲激光点焊工艺研究
3.1.1 脉冲激光焊点类型及特征
3.1.2 脉冲激光焊点熔池流动的无量纲分析
3.1.3 脉冲激光焊点形成过程及机理分析
3.1.4 脉冲工艺参数对焊点成形的影响
3.2 脉冲激光焊点显微组织分析
3.2.1 析出相分析
3.2.2 显微组织特征及工艺分析
3.3 脉冲激光焊点冶金缺陷产生机理及工艺分析
3.3.1 焊点气孔
3.3.2 焊点余高
3.3.3 焊点咬边
3.3.4 焊点凝固裂纹
3.4 本章小结
第4章 脉冲波形对AZ31 镁合金激光点焊特性的影响
4.1 脉冲初始波形对焊点耦合的影响
4.1.1 镁合金Nd:YAG脉冲激光吸收机理
4.1.2 脉冲初始波形对镁合金激光吸收率的影响
4.1.3 脉冲初始波形对镁合金激光焊点尺寸的影响
4.2 脉冲闭合波形对焊点形貌及冶金缺陷的影响
4.2.1 Ramp-Down脉冲波形对焊点表面形貌的影响
4.2.2 Step-Down-t脉冲波形对焊点气孔、余高和咬边的影响
4.2.3 Step-Down-10ms-n脉冲波形对焊点凝固裂纹的影响
4.3 Step-Down脉冲波形对焊点显微组织的影响
4.3.1 Step-Down脉冲波形对凝固参数的影响
4.3.2 Step-Down脉冲波形对结晶形态的影响
4.3.3 Step-Down脉冲波形对晶粒尺寸的影响
4.4 本章小结
第5章 脉冲激光焊点凝固裂纹的分布规律及抑制效果
5.1 凝固裂纹萌生模型和扩展模型的建立
5.1.1 Feurer凝固裂纹模型
5.1.2 Sheikhi凝固裂纹模型
5.1.3 焊点熔池形状对凝固参数的影响
5.1.4 凝固裂纹萌生模型的建立
5.1.5 凝固裂纹扩展模型的建立
5.2 焊点熔池温度场的数值模拟分析
5.2.1 Rectangle脉冲波形焊点
5.2.2 Step-Down-10ms-0.3P脉冲波形焊点
5.3 Rectangle脉冲波形焊点凝固裂纹分布规律
5.3.1 凝固裂纹萌生方向预测
5.3.2 凝固裂纹扩展行为分析
5.3.3 凝固裂纹分布规律验证
5.4 Step-Down-10ms-0.3P脉冲波形对焊点凝固裂纹的抑制效果
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 总结
6.2 主要创新点
6.3 展望
参考文献
作者简介及攻博期间发表的学术论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]汽车轻量化技术的研究与进展[J]. 范子杰,桂良进,苏瑞意. 汽车安全与节能学报. 2014(01)
[2]Influence of CO2 laser welding parameters on the microstructure, metallurgy, and mechanical properties of Mg-Al alloys[J]. Hsien-lung Tsai,Chang-lin Lee,Di-shiang Chou,Sun-fen Lee,Jen-ching Huang,Jyun-wei Huang. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2012(12)
[3]Study on Characteristics and Generation Mechanism of YAG Pulsed Laser Welding Cracks of AZ31B Magnesium Alloy[J]. Cui Zeqin1,2,Wang Wenxian1,2,Si En1,Xu Bingshe1,21Key Laboratory of Interface Science and Engineering in Advanced Materials (Taiyuan University of Technology),Ministry of Education,Tai-yuan 030024,China2College of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China. 稀有金属材料与工程. 2011(S4)
博士论文
[1]Mg-Al系压铸镁合金显微组织对力学性能和腐蚀性能影响的研究[D]. 姜巍.吉林大学 2017
[2]Al-Mg-Si合金激光焊接凝固裂纹形成机理研究[D]. 王小杰.上海交通大学 2015
[3]AZ31B镁合金脉冲激光加工行为的研究[D]. 崔泽琴.太原理工大学 2011
硕士论文
[1]AZ31镁合金板材拉伸变形及热加工图的研究[D]. 赵军.辽宁科技大学 2015
[2]AZ31镁合金热变形行为及加工图研究[D]. 王庆.太原科技大学 2014
[3]基于多材料结构的汽车车身轻量化设计与研究[D]. 邳薇.天津大学 2007
本文编号：3733496
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【学位级别】：博士
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摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 脉冲激光点焊技术的研究现状
1.2.1 脉冲激光点焊工艺特性的研究进展
1.2.2 脉冲波形特性的研究进展
1.2.3 脉冲激光点焊热源模型的研究进展
1.2.4 脉冲激光点焊熔池流体流动行为的研究进展
1.3 镁合金激光焊接缺陷的研究现状
1.3.1 镁合金激光焊接热裂纹的研究进展
1.3.2 镁合金激光焊接气孔的研究进展
1.4 本文主要研究内容
第2章 实验方法及模型建立
2.1 实验材料
2.2 实验设备及方法
2.2.1 实验设备及参数
2.2.2 实验方法
2.3 焊点特征值测量及组织分析
2.4 有限元仿真模拟
2.4.1 热传导控制方程
2.4.2 模型网格划分及热物性参数确定
2.4.3 热源模型选择
2.4.4 初始条件、边界条件及前提假设
2.4.5 热源模型验证
2.4.6 模拟结果处理
2.5 本章小结
第3章 AZ31 镁合金的Rectangle(矩形)脉冲激光点焊特性
3.1 脉冲激光点焊工艺研究
3.1.1 脉冲激光焊点类型及特征
3.1.2 脉冲激光焊点熔池流动的无量纲分析
3.1.3 脉冲激光焊点形成过程及机理分析
3.1.4 脉冲工艺参数对焊点成形的影响
3.2 脉冲激光焊点显微组织分析
3.2.1 析出相分析
3.2.2 显微组织特征及工艺分析
3.3 脉冲激光焊点冶金缺陷产生机理及工艺分析
3.3.1 焊点气孔
3.3.2 焊点余高
3.3.3 焊点咬边
3.3.4 焊点凝固裂纹
3.4 本章小结
第4章 脉冲波形对AZ31 镁合金激光点焊特性的影响
4.1 脉冲初始波形对焊点耦合的影响
4.1.1 镁合金Nd:YAG脉冲激光吸收机理
4.1.2 脉冲初始波形对镁合金激光吸收率的影响
4.1.3 脉冲初始波形对镁合金激光焊点尺寸的影响
4.2 脉冲闭合波形对焊点形貌及冶金缺陷的影响
4.2.1 Ramp-Down脉冲波形对焊点表面形貌的影响
4.2.2 Step-Down-t脉冲波形对焊点气孔、余高和咬边的影响
4.2.3 Step-Down-10ms-n脉冲波形对焊点凝固裂纹的影响
4.3 Step-Down脉冲波形对焊点显微组织的影响
4.3.1 Step-Down脉冲波形对凝固参数的影响
4.3.2 Step-Down脉冲波形对结晶形态的影响
4.3.3 Step-Down脉冲波形对晶粒尺寸的影响
4.4 本章小结
第5章 脉冲激光焊点凝固裂纹的分布规律及抑制效果
5.1 凝固裂纹萌生模型和扩展模型的建立
5.1.1 Feurer凝固裂纹模型
5.1.2 Sheikhi凝固裂纹模型
5.1.3 焊点熔池形状对凝固参数的影响
5.1.4 凝固裂纹萌生模型的建立
5.1.5 凝固裂纹扩展模型的建立
5.2 焊点熔池温度场的数值模拟分析
5.2.1 Rectangle脉冲波形焊点
5.2.2 Step-Down-10ms-0.3P脉冲波形焊点
5.3 Rectangle脉冲波形焊点凝固裂纹分布规律
5.3.1 凝固裂纹萌生方向预测
5.3.2 凝固裂纹扩展行为分析
5.3.3 凝固裂纹分布规律验证
5.4 Step-Down-10ms-0.3P脉冲波形对焊点凝固裂纹的抑制效果
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 总结
6.2 主要创新点
6.3 展望
参考文献
作者简介及攻博期间发表的学术论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]汽车轻量化技术的研究与进展[J]. 范子杰,桂良进,苏瑞意. 汽车安全与节能学报. 2014(01)
[2]Influence of CO2 laser welding parameters on the microstructure, metallurgy, and mechanical properties of Mg-Al alloys[J]. Hsien-lung Tsai,Chang-lin Lee,Di-shiang Chou,Sun-fen Lee,Jen-ching Huang,Jyun-wei Huang. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2012(12)
[3]Study on Characteristics and Generation Mechanism of YAG Pulsed Laser Welding Cracks of AZ31B Magnesium Alloy[J]. Cui Zeqin1,2,Wang Wenxian1,2,Si En1,Xu Bingshe1,21Key Laboratory of Interface Science and Engineering in Advanced Materials (Taiyuan University of Technology),Ministry of Education,Tai-yuan 030024,China2College of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China. 稀有金属材料与工程. 2011(S4)
博士论文
[1]Mg-Al系压铸镁合金显微组织对力学性能和腐蚀性能影响的研究[D]. 姜巍.吉林大学 2017
[2]Al-Mg-Si合金激光焊接凝固裂纹形成机理研究[D]. 王小杰.上海交通大学 2015
[3]AZ31B镁合金脉冲激光加工行为的研究[D]. 崔泽琴.太原理工大学 2011
硕士论文
[1]AZ31镁合金板材拉伸变形及热加工图的研究[D]. 赵军.辽宁科技大学 2015
[2]AZ31镁合金热变形行为及加工图研究[D]. 王庆.太原科技大学 2014
[3]基于多材料结构的汽车车身轻量化设计与研究[D]. 邳薇.天津大学 2007
本文编号：3733496
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