鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接等離子體光譜診斷及接頭強(qiáng)化機(jī)制研究.pdf

1、隨著節(jié)能減排和結(jié)構(gòu)輕量化要求的提高，鋁合金結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用越來越廣泛。高功率激光-MIG電弧復(fù)合焊接兼有激光小孔深熔焊接和電弧焊接的優(yōu)點(diǎn)，是一種能夠提高鋁合金結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量和生產(chǎn)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(dú)具優(yōu)勢。但是，光纖激光-電弧復(fù)合焊接鋁合金的一些關(guān)鍵技術(shù)和物理機(jī)制還缺乏深入的研究。本論文基于高速列車和運(yùn)載火箭鋁合金結(jié)構(gòu)制造的實(shí)際需求，對鋁合金光纖激光-MIG電弧復(fù)合焊接的工藝特性、熱源相互作

2、用機(jī)理和接頭強(qiáng)化機(jī)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(fù)合焊接過程的穩(wěn)定性。采用統(tǒng)計(jì)焊接飛濺數(shù)量的方法對焊接過程穩(wěn)定性進(jìn)行了半定量評價(jià)。在本試驗(yàn)條件下，適當(dāng)提高純Ar保護(hù)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(fù)合焊接飛濺數(shù)量減少的主要原因可以歸結(jié)為兩點(diǎn)：激光對熔池的預(yù)熱作用擴(kuò)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(guān)結(jié)果為穩(wěn)定地開展后續(xù)實(shí)驗(yàn)奠定了工藝基礎(chǔ)。
　　首次將激光-電弧復(fù)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(gè)特征區(qū)域，并根據(jù)這兩個(gè)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(fù)合焊接、激光焊接和電弧焊接過程的光譜強(qiáng)度。ΨI值越大，表示激光-電弧相互作用越強(qiáng)。半定量分析結(jié)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(fù)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(jìn)熔深增加的機(jī)理在于激光小孔內(nèi)增強(qiáng)的電子發(fā)射現(xiàn)象促使電弧內(nèi)形成穩(wěn)定的導(dǎo)電通道，造成電弧體積壓縮，提高熱源能量密度并擴(kuò)大小孔直徑，導(dǎo)致小孔內(nèi)壁通過菲涅爾效應(yīng)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(jī)理為提高復(fù)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(fù)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(fù)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(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合焊接接頭。結(jié)果表明，復(fù)合焊接接頭截面形狀和焊縫氣孔率有很強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系：當(dāng)接頭形狀為Y型時(shí)，接頭內(nèi)容易產(chǎn)生大量氣孔；當(dāng)接頭形狀為V型時(shí)，氣孔率顯著降

6、低。因?yàn)殡娀す鈪^(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(qiáng)，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(zhuǎn)變?yōu)閂型。這一變化使得小孔尖端產(chǎn)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(dāng)R值大于0.51時(shí)，接頭中氣孔率滿足合格標(biāo)準(zhǔn)。R系數(shù)的提出為鋁合金激光-電弧復(fù)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(zhì)量提高具有一定指導(dǎo)意義。
　　采用低氣孔率的激光-電弧復(fù)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(qiáng)度，明顯高于其他熔焊方法。AA6082鋁合金研究結(jié)果表明，接頭屈服強(qiáng)度達(dá)到了母材的80％，提高強(qiáng)度的機(jī)制有多種，其中固熔強(qiáng)化機(jī)制是最主要原因。采用Al-Mg焊絲復(fù)合焊接的AA2219高強(qiáng)鋁合金接頭具有比Al-Cu焊絲接頭更高的抗拉強(qiáng)度，達(dá)到300 MPa以上，Al-Mg

8、焊縫中的大量細(xì)小S-Al2CuMg析出相及其與位錯(cuò)形成的釘扎作用是提高強(qiáng)度的主要原因。
　　在獲得低氣孔率和高強(qiáng)度的AA6082鋁合金中厚板激光-電弧復(fù)合焊接接頭基礎(chǔ)上，首次得到了中厚板鋁合金復(fù)合焊接接頭的疲勞性能S-N全曲線。結(jié)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(qiáng)度為97.8 MPa，達(dá)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(qiáng)度相當(dāng)。復(fù)合接頭較低的氣孔