AZ31B镁合金与CFRP激光焊铆复合连接工艺与焊缝成形调控研究

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随着全球环境的日益恶化和资源短缺现象的日益严重,节能减排已经受到越来越多的重视。轻量化材料的使用作为节约能源和减少温室气体排放方式的一种,已经受到各国政府越来越多的重视。镁合金和碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)分别是目前工业领域最轻的金属工程结构材料和应用前景最好的复合材料,二者的连接能够充分发挥材料物尽其用的优势,但是二者由于巨大的物理化学性质差异难以通过普通的连接方法建立起可靠的连接,因此国内外学者对于二者的连接问题赋予了广泛的关注。焊铆复合连接方法是一种将焊接与铆接复合起来使用的新型连接方法,在应用于AZ31B镁合金与CFRP连接时,通过使用不同的铆钉结构和不同的焊接工艺参数,来对接头的连接质量进行调控,其中阶梯型铆钉的使用对于焊接过程起到了热量缓冲的作用,使得通过铆钉传入复合材料的热量减少,从而降低了焊接过程对复合材料的热损伤。在本文当中我们首先使用脉冲激光作为焊接热源,研究了AZ31B镁合金和CFRP的脉冲激光焊铆复合连接的工艺方法,建立了一种新的定义焊缝形状特征的方法,即用焊缝熔深和熔宽的比值当作焊缝的形状特征参数Φ来使用,建立起焊缝的深宽比同接头强度之间的一个对应关系,同时建立起了一个经过遗传算法优化的四层神经网络,同时结合实验建立的焊缝形状特征设计标准,设计了三种具有一定熔深的典型焊缝。将焊缝的熔深和熔宽作为该神经网络模型的输入参数,预测出焊接试验的工艺参数。然后利用输出的焊接工艺参数进行焊接试验。其中焊缝宽度的最大预测误差约为3.5%,而焊缝深度的最大预测误差约为2.9%。获得的焊缝表面成形良好,接头微观组织较为细小。在使用不同的焊接热源对镁合金和CFRP进行焊铆复合连接的过程中,通过对不同参数之下所获得的接头的拉伸剪切强度对比发现,使用连续激光作为焊接热源时,当连续激光功率为1220W时,接头强度最大值为1966N;使用脉冲激光作为焊接热源时,当脉冲激光功率为344W时,所获得的接头强度最大值为2350N;焊接热源为连续-脉冲复合双激光时获得的接头强度整体较高,当连续-脉冲复合双激光焊接工艺参数为当连续激光功率为640W,脉冲激光功率为200W时,连续-脉冲复合双激光接头强度达到最大值为2880N。对在不同焊接热源所获得强度最高的接头的焊缝截面进行分析发现,在使用连续-脉冲复合双激光作为焊接热源针对镁合金与CFRP焊铆复合连接过程中,双激光所获得焊接接头的焊缝成形质量要优于连续激光和脉冲激光得到的焊接接头焊缝,双激光所获得的焊接接头焊缝无气孔和裂纹等焊接缺陷的存在,证明了连续-脉冲复合激光热源相比于连续激光和脉冲激光可以提高镁合金与CFRP焊铆复合连接的连接质量。
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