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作者：

张智慧

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摘要：

7A52铝合金是装甲车等兵器工业领域广泛应用的Al-Zn-Mg系高强铝合金.实际应用中经常需要进行厚板焊接.目前的焊接以多层多道弧焊工艺为主,存在着焊接接头裂纹倾向大,接头软化严重以及变形大等一系列问题.窄间隙激光填丝焊接综合了窄间隙焊接焊缝窄以及激光焊接热源集中效率高的双重优势,是一种非常适合厚板焊接的方法.目前该方法尚未有应用在7系铝合金的实用研究报道.为此,本文将开展7系铝合金厚板窄间隙激光填丝焊接工艺特性及组织性能调控研究,探索工艺实施的可行性,为实际工程应用奠定基础.本文首先研究了7A52铝合金激光打底焊接工艺.研究了铝合金激光焊中热导焊与深熔焊两种模式与控制参数,确定了深熔焊作为铝合金激光打底焊的有效模式,可以得到可靠的铝合金焊接接头.通过平板堆焊研究,得到了焊接功率,速度以及送丝速度等工艺参数对焊缝成形的影响规律.发现对于焊缝熔深,熔宽,主要影响因素是焊接功率和焊接速度.对于焊缝余高,送丝速度是主要影响因素.为开展后续厚板单道多层激光焊接研究奠定了工艺基础.对7A52铝合金厚板窄间隙激光填丝焊接建立模型进行了有限元模拟,得到了单道四层窄间隙激光填丝焊接过程的温度场和应力场演变模型.研究发现焊后在焊接接头中存在较大纵向残余应力,最大主应力和Von Mises应力都分布在焊缝及热影响区附近.同时发现在降低焊接热输入的情况下,焊接残余应力水平大大降低.应力场模拟的研究表明焊接接头薄弱部位为焊缝母材连接处与焊缝层间.基于温度场的模拟,进行了热力学和动力学分析,研究结果表明不同焊接层间由于热循环的存在,组织将会存在明显不同,低层焊接层硬度将高于高层焊接层.基于以上的研究,本文初步设计并实施了厚板铝合金窄间隙激光填丝焊接工艺.研究结果表明,采用4mm窄间隙UV联合形坡口,使激光光斑同时作用于焊接UV联合坡口侧壁和底部,以热导焊的形式使焊丝和焊接坡口形成熔池,能够实现大厚度铝合金板材的有效焊接.分析了焊接缺陷,发现缺陷形式主要为未熔合,气孔和裂纹三种,并利用正交试验方法对焊接工艺参数进行了优化.得到了最佳工艺参数:焊接功率3200W,焊接速度0.6mm/min,送丝速度14m/min.进一步研究了填充不同焊丝焊接接头组织与性能.使用光学金相显微镜,扫描电子显微镜研究了焊接接头微观组织与第二相粒子.研究发现采用添加稀土元素Er焊丝的焊缝晶粒相对于ER5183常规焊丝更为细小,第二相粒子分布更为均匀.利用EBSD分析了焊接接头组织,发现采用添加稀土元素Er的焊丝的焊接接头熔合区联生结晶的机制被部分细小的等轴晶打断.进一步研究表明采用ER5183常规焊丝时,焊缝中产生的Al_3Mg_2相与铝基体为非共格关系,不利于第二相粒子的生成,界面稳定性有所下降;而采用添加稀土元素的焊丝时,稀土元素Er和过渡金属元素Zr共同作用改变了第二相的析出行为,形成新的形核质点,细化了焊缝区晶粒.采用室温拉伸和硬度试验,研究了不同填充焊丝接头的性能.发现添加稀土元素Er的焊丝的焊接接头性能优于采用ER5183焊丝的接头,强度达到了356MPa,延伸率达到10%,同时硬度也大幅提升,同时发现焊缝底层硬度高于表层硬度的现象.结合10mm厚铝合金角焊缝进行焊接试验,对比了窄间隙激光填丝焊接和惰性气体保护焊两种焊接工艺,得到窄间隙激光填丝焊接接头具有更好的力学性能.

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关键词：

厚板铝合金；窄间隙激光填丝焊；有限元模拟；微观组织；力学性能

学位级别：

博士

DOI：

CNKI:CDMD:1.1018.897103