鋁合金激光-電弧復合焊接等離子體光譜診斷及接頭強化機制研究.pdf

1、隨著節(jié)能減排和結構輕量化要求的提高，鋁合金結構件的應用越來越廣泛。高功率激光-MIG電弧復合焊接兼有激光小孔深熔焊接和電弧焊接的優(yōu)點，是一種能夠提高鋁合金結構焊接質量和生產效率的新型熔焊方法。光纖激光器激光波長較短，性能穩(wěn)定，在鋁合金焊接方面獨具優(yōu)勢。但是，光纖激光-電弧復合焊接鋁合金的一些關鍵技術和物理機制還缺乏深入的研究。本論文基于高速列車和運載火箭鋁合金結構制造的實際需求，對鋁合金光纖激光-MIG電弧復合焊接的工藝特性、熱源相互作

2、用機理和接頭強化機制開展了研究，所取得的成果如下：
　　系統(tǒng)研究了鋁合金光纖激光-MIG電弧復合焊接過程的穩(wěn)定性。采用統(tǒng)計焊接飛濺數(shù)量的方法對焊接過程穩(wěn)定性進行了半定量評價。在本試驗條件下，適當提高純Ar保護氣的流量、電弧弧長、電弧力和熱源間距都可以減少飛濺數(shù)量。復合焊接飛濺數(shù)量減少的主要原因可以歸結為兩點：激光對熔池的預熱作用擴大了熔池前端的面積，熔滴從焊絲過渡熔池的過程更平穩(wěn)；工藝參數(shù)優(yōu)化使電弧對熔滴的作用力保持在合理范圍，相

3、關結果為穩(wěn)定地開展后續(xù)實驗奠定了工藝基礎。
　　首次將激光-電弧復合焊接等離子體光譜分析位置分為激光輻照區(qū)和電弧中心區(qū)兩個特征區(qū)域，并根據(jù)這兩個區(qū)域的光譜信息提出了表征激光-電弧熱源相互作用程度的新方法，引入了相互作用程度系數(shù)ΨI：此公式省略。IH、IL和IA分別為復合焊接、激光焊接和電弧焊接過程的光譜強度。ΨI值越大，表示激光-電弧相互作用越強。半定量分析結果表明，激光輻照區(qū)的相互作用系數(shù)ΨIL值和電弧中心區(qū)的相互作用系數(shù)ΨIA

4、值存在差異，說明激光對電弧的影響程度和電弧對激光的影響程度并不對等，但是ΨIL和ΨIA值隨工藝參數(shù)的演變規(guī)律基本相同：激光功率越高，電弧電流、熱源間距越小，ΨIL和ΨIA值越高；復合焊接熔深隨ΨIL和ΨIA值的增加而變深。激光-電弧相互作用促進熔深增加的機理在于激光小孔內增強的電子發(fā)射現(xiàn)象促使電弧內形成穩(wěn)定的導電通道，造成電弧體積壓縮，提高熱源能量密度并擴大小孔直徑，導致小孔內壁通過菲涅爾效應吸收的激光能量減少，更多的激光能量傳輸?shù)叫】?/p>

5、底部，從而增加焊接熔深。熱源相互作用增加熔深的機理為提高復合焊接效率和能源利用率開辟了新途徑。
　　針對現(xiàn)有鋁合金激光-電弧復合焊接中母材越厚，接頭氣孔率越高的難題，通過系統(tǒng)研究與優(yōu)化激光-電弧復合焊接工藝，成功突破了8 mm以下中厚鋁合金板材的厚度障礙，獲得氣孔率滿足工業(yè)應用標準的復合焊接接頭。結果表明，復合焊接接頭截面形狀和焊縫氣孔率有很強的對應關系：當接頭形狀為Y型時，接頭內容易產生大量氣孔；當接頭形狀為V型時，氣孔率顯著降

6、低。因為電弧對激光區(qū)的作用程度是決定接頭形貌的主要因素，本論文首次引入電弧對激光區(qū)作用程度系數(shù)R來量化電弧對激光區(qū)的作用程度，其定義為接頭橫截面下半?yún)^(qū)與上半?yún)^(qū)面積之比。電弧對激光區(qū)的作用程度越強，R值越大。分析發(fā)現(xiàn)隨著R值增加，熔池激光區(qū)體積增大，接頭形貌由Y型轉變?yōu)閂型。這一變化使得小孔尖端產生的氣泡容易溢出熔池，從而抑制了熔池凝固后的氣孔缺陷。當R值大于0.51時，接頭中氣孔率滿足合格標準。R系數(shù)的提出為鋁合金激光-電弧復合焊接接頭

7、氣孔的抑制提供了判據(jù)，對其參數(shù)優(yōu)化和質量提高具有一定指導意義。
　　采用低氣孔率的激光-電弧復合焊接工藝參數(shù)可以顯著提高AA6082和AA2219鋁合金的焊接接頭強度，明顯高于其他熔焊方法。AA6082鋁合金研究結果表明，接頭屈服強度達到了母材的80％，提高強度的機制有多種，其中固熔強化機制是最主要原因。采用Al-Mg焊絲復合焊接的AA2219高強鋁合金接頭具有比Al-Cu焊絲接頭更高的抗拉強度，達到300 MPa以上，Al-Mg

8、焊縫中的大量細小S-Al2CuMg析出相及其與位錯形成的釘扎作用是提高強度的主要原因。
　　在獲得低氣孔率和高強度的AA6082鋁合金中厚板激光-電弧復合焊接接頭基礎上，首次得到了中厚板鋁合金復合焊接接頭的疲勞性能S-N全曲線。結果表明在10％失效概率、95％置信度條件下，無限壽命（定義為107循環(huán)次數(shù)）疲勞強度為97.8 MPa，達到母材的86％以上，優(yōu)于MIG焊接和激光焊接，與攪拌摩擦焊接接頭的疲勞強度相當。復合接頭較低的氣孔