镁合金是目前被国内外重新认识并积极开发的一种轻量化材料,具有低密度、高比强度、阻尼减震性好、易机械加工以及良好的可回收性等优点。高效合理的镁合金焊接方法将大大推动镁合金的发展与应用。 激光-电弧复合热源焊接具有高速、高效、接头质量优异等特点,目前正在被国内外的研究者日益关注。对这一过程的焊接数值模拟研究有助于更深层次地理解过程的物理机制,从而实现指导焊接工艺、控制焊接质量的目的。 本文以变形镁合金AZ31B为研究对象,对其YAG激光-TIG电弧复合热源搭接焊工艺进行了试验研究,系统地分析了各工艺参数对焊接熔深、熔宽、表面成型的影响规律,微观组织特点并最终获得了具有优良剪切强度的焊接接头。研究发现:复合热源搭接的能量特点导致接头宏观呈“图钉”形状,复合热源搭接焊的热循环特点导致了接头微观组织的特殊性:接头上部呈现激光焊与TIG焊共同作用下的组织特征;接头下部呈现明显的激光焊组织特征。 在复合热源焊接工艺研究的基础上,结合镁合金材料特点,建立了基于旋转高斯体热源与高斯面热源相结合的复合热源模型:高能束激光热源由旋转高斯体热源描述;TIG电弧则由高斯面热源描述。热源模型的建立充分考虑了过程的物理特点与热源间的能量增强效应。 数值模拟中由于受到热源模型计算参数、高温区物理性能参数难以精确的制约,使模拟结果的准确性难以保证。本文提出了采用红外热像仪测温,用所得的弧光干扰区外的温度场校正模拟参数、材料热物性参数,既而得到全场温度的方法解决这一问题。通过热电偶测温、熔池形状对比证明了这种方法的可行性与准确性。 在本文的最后,结合前期试验与数值模拟结果,建立了基于神经网络算法与有限元技术的复合热源焊接预测系统,该系统可根据用户给定的焊接材料与板厚提供工艺规范合理化建议与焊接熔深、熔宽、准稳态三维焊接温度场、残余应力等的预测、计算功能,从而使镁合金复合热源焊接这一过程更加系统化、清晰化。