箔材渐进激光冲击铆接/焊接/焊铆复合连接研究

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随着现代工业的快速发展,零部件产品日益趋向微型化。因此如何实现异质箔材间的连接,已成为材料学领域的重要问题。激光冲击成形技术利用激光诱导产生的冲击波力学效应使箔材产生塑性变形,其中激光冲击铆接技术通过在材料间形成互锁结构来实现铆接连接,激光冲击焊接技术通过在材料间产生机械结合和冶金结合来实现焊接连接,这两种技术在异质箔材间的连接上具有十分显著的优势。目前关于激光冲击铆接的研究主要为圆孔铆接,其孔径小于单个激光光斑直径。本课题在此基础上提出了一种旨在扩大成形面积并制造异形接头的渐进激光冲击铆接技术;针对目前激光冲击焊接研究多限于单焊点的问题,进行了激光冲击多点焊接研究;结合渐进激光冲击铆接技术及激光冲击焊接技术,研究了焊铆复合连接新技术。本文采用实验研究与数值模拟相结合的方式,从工艺参数、接头结构、力学性能、材料流动等方面进行了研究。(1)渐进激光冲击铆接研究。以Cu/Al/Stainless steel(Ss)材料组合为研究对象,进行了渐进激光冲击铆接工艺的实验研究和数值模拟。通过对圆端矩形铆扣接头进行形貌观察和截面分析,证实了渐进激光冲击铆接技术的可行性。对工艺参数的研究表明,需要足够的成形高度才能形成三级互锁结构,多道次成形策略可以提高铆扣成形性和表面质量。拉伸试验结果显示,夹持方式会影响接头的连接强度和失效形式,加载方向只会影响接头的连接强度,垂直于接头长度方向的抗拉强度总是大于其平行方向。结合数值模拟发现,大部分材料沿孔的横向流动,少量沿激光光斑移动方向流动。上下两层箔材在铆接成形时的应变分布存在差异,但最大应变都出现在激光光斑搭接区域。(2)激光冲击焊接研究。对Cu/Cu同质材料组合和Al/Cu异质材料组合进行了激光冲击单点焊接与多点焊接实验研究。结果表明,飞行距离越小越有利于获得表面质量良好的焊接试样。多点焊接时,需要适当的距离间隔来保证各焊点成形面积相同。在焊接过程中易出现鼓包、烧蚀和破裂缺陷。焊接界面波形与材料组合有关,Al/Cu焊接界面不易平直状且波形较大。通过线性扫描发现,在焊接结合界面处会发生微弱的元素扩散。拉伸测试结果显示,随着激光能量增加或者光斑尺寸减小,试样的抗拉强度都是先增加后降低。随着焊点数量增加,试样的抗拉强度不断增加。试样沿垂直于焊点排布方向的抗拉强度略大于其平行方向。焊点失效形式通常为飞板焊点边缘破裂和焊点中心剥落。(3)激光冲击焊铆复合连接研究。对激光冲击单点焊接后的Cu/Cu试样进行渐进激光冲击铆接实验研究,并且成形了线底切结构。采用实验研究与数值模拟,对Al/Cu/Ss的三点焊接试样的渐进激光冲击铆接展开研究。对比焊接试样退火前后的微观组织,发现中间退火使晶粒尺寸稍微增大,但因消除硬化从而有利于后续成形。拉伸测试结果表明,带有焊点的线底切结构在拉伸过程中焊点发挥主要作用,其抗拉强度与焊接试样相比略有降低,但远高于线底切结构。当最上层材料被单独夹持在一侧且沿垂直于铆扣长度方向拉伸时,焊铆复合接头性能优于同实验参数下的铆接接头和焊接接头。结合数值模拟发现,焊铆复合连接接头由于存在焊点,两层成形材料间几乎无回弹缝隙。材料沿横向和纵向的位移云图都近似呈对称分布,最大位移出现在铆扣边缘。应变值在铆扣颈部、焊点内部未连接区及焊点边缘附近较大。上述研究结果为金属箔材的连接提供了新途径,并为进一步的实际应用提供了理论和实验指导。
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