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铝合金具有高比强度、高比模量和高疲劳强度,以及良好的断裂韧性和较好的裂纹扩展率,同时还具有优良的成形工艺性和良好的抗腐蚀性。因此,被广泛应用于各种焊接结构和产品中。传统的铝合金焊接一般采用TIG焊或MIG焊工艺,但所面临的主要问题是焊接过程中较大的热输入使铝合金板变形较大,焊接速度慢,生产效率低。由于焊接变形大,随后的矫正工作往往浪费大量的时间,增加了制造成本,影响了生产效率和制造质量。而激光焊接具有功率密度高、焊接热输入低、焊接热影响区小和焊接变形小等特点,使其在铝合金焊接领域受到格外的重视。
激光焊接接头的组织和性能主要取决于激光焊接作用的工艺参数。不同的焊接工艺参数下,激光束对板材的加热过程以及熔池的温度分布都不同,因此,用有限元方法模拟激光焊接过程中的温度场分布,从而为组织分析和焊接工艺提供依据具有一定的现实意义。
目前铝合金激光焊接的研究主要聚焦于焊接接头组织、力学性能、残余应力数值模拟等,很少有研究激光焊接铝合金的腐蚀行为。
本文利用Nd:YAG激光器对厚为0.5mm的Al-Cu-Mg系2024铝合金薄板进行激光焊接实验。通过正交实验研究了影响焊缝质量的因素,优化了激光焊接工艺参数,实验获得最佳焊接质量,其拉伸强度达到131.58Mp,接近母材的72%,焊缝中心以等轴晶为主,垂直于熔合线方向生成树枝柱状晶。硬度分布显示焊缝区域最低,其原因是由于焊缝中合金元素的烧损和焊缝金属的不完全淬火使过饱和度降低了,焊接接头中析出的强化相相应减少所造成的。实验中基于ANSYS建立高斯热源模型,利用APDL语言编程实现热源的移动加载,从而对焊接温度场进行动态模拟,得出温度分布,最后进行温度场和焊缝宽度测量。对比表明,实验数据和模拟结果吻合较好。另外,在此基础上对焊件焊缝、热影响区和母材区域进行了电化学腐蚀试验研究,测得动电位极化曲线和阻抗图谱,结合静态腐蚀失重试验和金相观察进行对比,研究表明,同一试件下无填充材料下的2024铝合金激光焊接件的抗腐蚀性能热影响区、焊缝、母材依次升高,不同试件之间焊缝抗腐蚀性能随激光功率和能量增大而逐渐降低,热影响区趋势一致。