论文部分内容阅读
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/m2而小于4.5 GW/m2时,焊点类型为热传导焊;当脉冲峰值功率密度大于4.5 GW/m2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,其形态呈颗粒状或者是层片状。焊点表面熔合线附近的晶粒类型为柱状晶,而焊点表面中心处的晶粒类型为等轴晶;柱状晶和等轴晶的尺寸均随激光束的脉冲能量密度的升高而变大。此外,由于焊点熔池体积小（0.05 mm36.8 mm3）,且AZ31镁合金热传导系数较大(84 W?m-1?K-1),使得焊点熔池的冷却速度极快（1×105℃/s3.59×105℃/s）,激光焊点中易生成焊点气孔、焊点余高、焊点咬边和焊点凝固裂纹等缺陷;增加激光束的脉冲峰值功率密度,焊点内气孔和余高的面积百分比、咬边深度以及凝固裂纹的敏感性均变大。（2）研究脉冲波形对焊点耦合、表面形貌及冶金缺陷和显微组织的影响。在激光焊点的耦合效果方面,研究表明:Ramp-up脉冲（初始峰值功率密度由小变大）焊点的耦合效果最佳,Rectangle脉冲（峰值功率密度恒定不变）焊点次之,而Leading-spike脉冲（初始峰值功率密度由大变小）焊点的耦合效果最差,且脉冲初始波形对镁合金Nd:YAG激光焊吸收率的影响不明显。在激光焊点的表面形貌及缺陷抑制方面,研究表明:具有缓降闭合特性（Ramp-Down）的脉冲焊点的表面形貌优于具有瞬时闭合特性（Rectangle）的脉冲焊点的表面形貌。此外,延长Step-Down-t脉冲（Rectangle主波段后附加峰值功率为0.2 P的缓冷波段）的缓冷时间（t=2 ms→10 ms）,焊点气孔和余高的面积百分比以及焊点咬边深度均减少,当t=10 ms时,焊点内气孔、余高和咬边等缺陷消失;缓冷波段对焊点气孔的抑制作用体现在三方面:（1）减少熔池中卷入气体总量,（2）减弱熔池匙孔塌陷引起流体湍流的程度,促进匙孔中气体逸出,（3）延长焊点熔池在熔点温度以上的停留时间,使气泡逸出熔池表面的几率增加。提高Step-Down-10ms-n脉冲（Rectangle主波段后附加脉冲时间为10 ms的缓冷波段）的缓冷峰值功率（n=0.1 P→0.5 P）,焊点金属凝固裂纹敏感性先减小后升高;当n=0.3 P时,焊点凝固裂纹敏感性最小;缓冷波段对凝固裂纹的抑制作用体现在三方面:（1）大幅降低熔池冷却速度,减少糊状区中拉伸应力,（2）减轻熔池液态金属非平衡凝固的程度;（3）改善液态金属的回流和愈合的能力,并提高液态金属的渗透补缩能力。在激光焊点的显微组织方面,本文利用ANSYS模拟软件计算不同脉冲波形焊点熔池的液固界面上的凝固参数,并获得了AZ31镁合金激光焊点金属的结晶形态与G/R（温度梯度与凝固速度之比）的阈值关系。研究表明:当G/R值小于2℃?s/mm2时,凝固前沿的晶粒形态为等轴晶;当G/R取值为2℃?s/mm2700℃?s/mm2时,凝固前沿的晶粒形态为柱状晶;当G/R取值为700℃?s/mm22000℃?s/mm2时,凝固前沿的晶粒形态为胞状晶;当G/R值大于2000℃?s/mm2时,理论上凝固前沿的晶粒形态应为平面晶。此外,焊点横截面熔合线处的晶粒度小于焊点表面中心处,且Step-Down脉冲波形可增大焊点金属的晶粒尺寸。（3）为研究焊点凝固裂纹的分布规律,本文首次建立了与方向有关的、以时间为变量的凝固裂纹的萌生模型和扩展模型,以预测糊状区中凝固裂纹的萌生方向,并分析凝固裂纹的扩展行为。结果表明:在Rectangle脉冲焊点中,当焊点的深宽比小于0.3时,在焊点横截面上90°方向上的糊状区中萌生凝固裂纹;当焊点的深宽比大于0.3而小于0.8时,在焊点横截面两侧的45°方向上的糊状区中萌生凝固裂纹;当焊点的深宽比大于0.8时,在焊点横截面上90°方向上的糊状区中萌生凝固裂纹。在糊状区中,凝固裂纹尖端的毛细排斥力（106 Pa）远远大于流体驱动力（104 Pa）。因而,在热收缩和凝固收缩的作用下,凝固裂纹将沿着晶界随糊状区的迁移而扩展,直至焊点表面中心。