高強(qiáng)鋁合金電子束焊接焊縫成形質(zhì)量研究.pdf

1、本文對20mm厚高強(qiáng)Al-Cu合金板電子束焊接工藝問題進(jìn)行了研究，分析了影響接頭性能的各種因素。研究表明，對于電子束焊接20mm厚高強(qiáng)Al-Cu合金，焊縫成形是決定焊縫質(zhì)量的主導(dǎo)因素。如何得到良好的焊縫成形以及如何評判焊縫成形質(zhì)量就成為本文研究的重點(diǎn)。
　　為了得到焊縫成形規(guī)律，研究中對20mm厚高強(qiáng)Al-Cu合金進(jìn)行了電子束堆焊試驗(yàn)。綜合分析實(shí)際得到的焊縫形狀，歸納出了焊縫形狀模型，并定義了焊縫形狀參數(shù)，進(jìn)而研究了焊接參數(shù)對焊縫

2、形狀參數(shù)的影響，從而得到焊縫成形規(guī)律。研究結(jié)果表明，釘形焊縫由釘子帽和釘子本體組成，二者的形成機(jī)制不同。釘子帽形狀（高度和寬度）只受熱輸入大小影響，與產(chǎn)生熱輸入的方式無關(guān)；釘子本體的寬度也有類似的規(guī)律，但釘子本體的高度不僅受熱輸入大小的影響，還與產(chǎn)生熱輸入的方式有關(guān)。根據(jù)熱輸入和熔化效率調(diào)節(jié)焊接參數(shù)可以控制焊縫成形。
　　尋求合適參量以對焊縫成形進(jìn)行表征，是評判焊縫成形質(zhì)量的關(guān)鍵。本文結(jié)合電子束焊接過程特點(diǎn)以及實(shí)際條件，基于圖像方

3、法，對上述問題進(jìn)行了分析和探討。
　　研究中利用圖像傳感系統(tǒng)，得到了高強(qiáng)Al-Cu合金電子束焊接過程圖像，定義并提取了表征圖像特征區(qū)域的特征參數(shù)：寬（W）、前長（LF）和后長（LR）；進(jìn)而對熔池行為進(jìn)行了預(yù)分析。結(jié)果表明，圖像特征區(qū)域的前半部分和后半部分在焊接過程中的表現(xiàn)行為有所不同，W或LF可以表征前半部分，LR表征后半部分。W和LR的統(tǒng)計(jì)分布近似于正態(tài)分布，這說明對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析切實(shí)可行。通過對電子束定點(diǎn)焊接過程中特征參數(shù)的變

4、化規(guī)律的分析可知，電子束焊接熔深h在很短時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到一穩(wěn)態(tài)值，后續(xù)由時(shí)間累積引起的熔深的增量相對較??；W能夠反映特定輸入能量下得到的熔深大小。在電子束連續(xù)焊接時(shí)，焊接速度快，固定點(diǎn)的焊接時(shí)間短，熔深在很短時(shí)間內(nèi)即形成，因此，可以建立連續(xù)焊接試驗(yàn)時(shí)的W與h之間的對應(yīng)關(guān)系。
　　采用流體力學(xué)分析軟件Fluent建立了電子束匙孔反沖金屬蒸氣模型，分析了不同的焊接熔深時(shí)匙孔上方的特征區(qū)域變化情況，利用此模擬結(jié)果對高強(qiáng)Al-Cu合金電子束

5、焊接過程圖像的特征區(qū)域進(jìn)行了理論闡述。研究中定義出口處金屬蒸氣的截面寬為蒸氣寬。結(jié)果表明，對于匙孔直徑為0.5mm的匙孔模型，隨著熔深的增加，蒸氣寬增大。此結(jié)果與實(shí)際焊接過程中特征區(qū)域的變化相符合，即通過模擬計(jì)算，對圖像特征區(qū)域進(jìn)行了定性的理論分析，為后續(xù)的研究提供了理論根據(jù)。
　　上述結(jié)果解決了用什么指標(biāo)來評判焊縫成形質(zhì)量這個(gè)關(guān)鍵前提。于是，怎樣評判焊縫成形質(zhì)量這一問題就可以求解了。研究中對焊縫成形質(zhì)量的評判主要集中在熔透點(diǎn)的判

6、別、焊縫表面成形質(zhì)量的評定以及熔深大小的預(yù)測三個(gè)方面。同時(shí)基于圖像方法，對三者分別進(jìn)行了研究。
　　研究中發(fā)現(xiàn)，W能夠響應(yīng)出熔透信息：焊接熔深狀態(tài)由未熔透向熔透轉(zhuǎn)變時(shí)，特征參數(shù)W先出現(xiàn)微小的增幅，之后迅速衰減。使用小波分析方法，對這一熔透信息進(jìn)行了識別。結(jié)果表明，從焊接起始階段開始，W的小波分析第1層和第2層高頻分解系數(shù)第2次出現(xiàn)尖脈沖信號的時(shí)刻，對應(yīng)焊接熔深狀態(tài)由未熔透向熔透的過渡，即由此完成了熔透點(diǎn)的判別。研究中通過Matla

7、b軟件，將整個(gè)識別過程編制成了界面程序，在實(shí)際識別過程中，只需操作此界面即可對熔透信息進(jìn)行識別。
　　研究結(jié)果表明，焊縫表面成形質(zhì)量可以通過特征參數(shù)W和LR的變異系數(shù)VW和VRL進(jìn)行評定，且VW和VRL評定焊縫表面成形質(zhì)量的效果基本一致。研究中得到了熔深h和特征參數(shù)W之間的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系，基于此函數(shù)就可以在非破壞情況下利用圖像特征參數(shù)W來預(yù)測熔深大小。
　　本文基于圖像方法得到的熔深大小預(yù)測公式是對焊縫整體形貌在深度方向上的單

8、一的預(yù)測，并不能得到焊縫的詳細(xì)形貌。為了解決這一問題，本文基于上述分析結(jié)果，提出了基于圖像方法，利用嵌套式組合熱源模型模擬焊縫整體形貌的新思路：在非破壞情況下，由圖像實(shí)時(shí)得到熔深，進(jìn)而得到相應(yīng)熔深時(shí)的準(zhǔn)確熱流密度，最終得到精確的焊縫整體形貌。試驗(yàn)中只要將圖像特征參數(shù)和工藝參數(shù)輸入模型，就可以得到更為精確的焊接溫度場和焊縫整體形貌。通過電子束焊接厚板高強(qiáng)Al-Cu合金試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可靠性，從而證實(shí)了這一新思路的可行性。這一新思路，不僅克