【摘 要】
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为实现新能源汽车轻量化制造,薄板铝合金作为目前车身的常见材料可满足轻质及高强度的要求。与对接相比,搭接形式无需考虑板间的相互配合问题,更易满足车身复杂结构的连接。常规激光可实现高效焊接,但针对薄板铝合金易出现下塌及气孔等问题,因此本文采用激光摆动方法对搭接形式的1.5 mm的6061/5182铝合金进行焊接,以优化铝合金车身焊接工艺。本文主要研究了激光摆动行为对焊缝成形、熔池及小孔动态行为、晶粒特
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为实现新能源汽车轻量化制造,薄板铝合金作为目前车身的常见材料可满足轻质及高强度的要求。与对接相比,搭接形式无需考虑板间的相互配合问题,更易满足车身复杂结构的连接。常规激光可实现高效焊接,但针对薄板铝合金易出现下塌及气孔等问题,因此本文采用激光摆动方法对搭接形式的1.5 mm的6061/5182铝合金进行焊接,以优化铝合金车身焊接工艺。本文主要研究了激光摆动行为对焊缝成形、熔池及小孔动态行为、晶粒特征以及力学性能的影响。全文主要工作如下:（1）为区别于常规激光焊接,提出两种能量分布特征参数更好地揭示激光摆动焊接本质:一是轨迹瞬态线能量（Epath）可衡量光束摆动对能量的均匀作用以及对熔池的搅拌效应,二是综合峰值能量密度（Imax）可表示能量在局部的集中程度以及熔池的实际热输入。以二者阈值作为判据提出快速确定激光摆动焊接工艺参数的方法,Imax为29.5～39.5 J/mm2,Epath为3～7.5 J/mm时可获得合理熔深。发现了提高频率熔深降低主要受Epath影响,而增大幅度熔深降低主要受Imax影响。（2）基于激光摆动焊接传热传质数值模型,首先阐明了激光摆动焊接相较于常规激光焊接的气孔抑制机理,即激光摆动延长气泡上浮时间,抑制不稳定液流对小孔的扰动作用,减少小孔坍塌或收缩现象。其次发现当频率不超过150 Hz或幅度不超过2 mm时,熔池呈现“小孔+热传导”混合传热模式,并揭示了其阈值范围为Epath≥3J/mm或Imax≥31.9J/mm2;当二者超过各自阈值时转变为热传导模式,不同传热模式气孔抑制机理存在差异。发现了提高频率会加大光束对熔池的搅拌效应,而增大幅度可一定程度稳定熔池流动;最后阐明了特殊形貌激光摆动焊缝成形机理是由于局部线能量的差异造成了不同的小孔和熔池深度。（3）探究了激光摆动行为对焊缝凝固组织与晶粒特征的调控作用。分析了提升频率和增大幅度可提高熔池的凝固速率（R）且均匀温度梯度（G）,综合作用使冷却速率（GR）增大而细化晶粒,细化程度分别约为28%和53%。阐明了激光摆动焊缝比常规激光焊缝熔池中心具有更宽的低G/R区而大幅拓宽等轴晶区。发现了增大幅度（Imax降低）可有效细化晶粒,提高频率（Epath降低）更利于弱化柱状晶织构强度。（4）阐明了影响激光摆动搭接接头拉伸性能因素的优先级,即焊缝成形、夹持方式及晶粒尺寸逐次递减。优化的激光摆动搭接接头呈韧性断裂,抗拉强度和载荷约为160 MPa和3 kN,比未熔透常规激光搭接接头强度提升超30%。当Imax＜30 J/mm2或Epath＜3 J/mm时,接头一般呈剪切脆性断裂。发现增大幅度对焊缝区显微硬度的提升更显著,可优化至约70 HV0.2。
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