1060铝合金薄板可调环形光斑激光搭接焊工艺优化与监测方法研究.pdf
华中科技大学硕士学位论文
摘要
相比于传统单激光焊接,可调环形光斑激光焊接工艺能提高匙孔-熔池稳定性,
有效抑制铝合金等轻质材料焊接飞溅形成,降低熔深波动,为铝合金薄板高速搭接焊
提供了有效手段。1060铝合金以其良好的导电性能,广泛应用于动力电池导电零部
件的生产制造,然而动力电池极柱、转接片等关键导电部件的焊接,既需要在尽量高
的焊接速度下保证焊缝无飞溅、少气孔,且对焊缝形貌特征要求严苛,为可调环形光
斑激光焊接工艺调控带来挑战;此外,虚焊是危害动力电池极柱、转接片等关键导电
部件之间导电性能的重要因素,其作为一种内部缺陷,无法直接通过表面观察进行识
别、判定,且更难以与传感信号之间建立关联关系,监测难度高。针对以上问题,本
文开展了1060铝合金薄板可调环形光斑激光搭接焊工艺与监测方法研究,主要研究
内容和结论如下:
(1)开展了中心-环形激光功率对焊缝成形、匙孔-熔池动态行为的影响规律的
研究。研究结果表明:中心-环形激光功率比为3:7时焊缝成形最好,此时表面几乎
无飞溅,气孔率小于1%,熔深、熔宽均匀一致性最好,平均搭接面熔宽大于0.9mm;
环形激光对焊缝熔化宽度的增大作用仅在一定熔深范围内较显著,而熔宽比随着环
形激光功率增加先减小后趋于稳定,匙孔开口坍塌闭合频次由21.5%减小到0%,熔
池承受扰动能力增强;
(2)开展了铝合金高速可调环形光斑激光搭接焊工艺参数优化研究。建立了可
调环形光斑激光搭接焊的无飞溅、少气孔与大搭接面宽度的高速稳定焊接工艺窗口:
中心-环形激光功率比3:7、激光功率4550~5250W、焊接速度70~95mm/s、离焦量
2~4mm;基于Kriging模型与NSGA-Ⅱ遗传算法开展多目标工艺参数优化,相比于
工艺窗口内成形较好的焊缝,在焊接速度70mm/s以上,搭接面熔宽提高8.89%、熔
深波动小于10%、无明显成形缺陷。
(3)开展了高速可调环形光斑激光搭接焊虚焊缺陷监测研究。分析了虚焊缺陷
产生原因并提出了虚焊缺陷的监测思路,研究了可调环形光斑激光焊接多传感信号
I
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处理与特征提取方法,明晰了其与搭接面成形质量之间的关联关系。研究结果表明:
熔宽比与有效接合宽度波形互相关系数为0.9814、相关系数为-0.5899,呈显著负相
关;AlⅠ特征谱线、匙孔内接四边形左夹角θ、匙孔开口面积能够反映焊缝内部产
左
生的虚焊缺陷;在良好工艺下,搭接面气孔是导致虚焊缺陷的主要原因,对搭接面
0.1mm以上气孔导致的虚焊缺陷识别准确率能够达到90.48%。
关键词:可调环形光斑;激光搭接焊;铝合金薄板;工艺参数优化;虚焊缺陷监测
II
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Abstract
Comparedwithtraditionalsinglelaserwelding,theadjustableringspotlaserwelding
technologycanimprovekeyhole-meltpoolstability,effectivelyinhibitingtheformationof
lightmaterialssuchasaluminumalloyweldingspatter,reducingmeltdepthfluctuations,
providinga