鋁合金高功率雙光束激光及與TIG復(fù)合焊接特性研究.pdf

1、鋁合金具有低密度、高強(qiáng)度、高塑性、耐腐蝕、易于加工等一系列優(yōu)異的特點(diǎn)，成為航空航天及高速列車(chē)等運(yùn)載工具結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的首選材料。以TIG和MIG為代表的傳統(tǒng)電弧焊方法仍然是目前鋁合金結(jié)構(gòu)件焊接加工制造的主要方法，但由于電弧的能量密度相對(duì)較低，焊接速度較慢，熱輸入較大，在解決構(gòu)件的焊接變形、熱損傷、焊接效率的提升等焊接工程問(wèn)題上遇到了技術(shù)瓶頸。以高能量密度深熔焊接為特征的焊接方法（激光及激光-電弧復(fù)合焊）由于具有焊接速度快、材料熱損傷小、

2、焊接變形小等優(yōu)勢(shì)，在鋁合金的焊接研究領(lǐng)域越來(lái)越受到關(guān)注。已有的研究表明，鋁合金激光深熔焊接其中的一個(gè)主要問(wèn)題是焊縫成形差，表現(xiàn)為焊縫表面形狀粗糙不均勻，焊縫熔深波動(dòng)較大；另一個(gè)主要問(wèn)題是極易產(chǎn)生匙孔型氣孔，尤其在非熔透型結(jié)構(gòu)焊接的情況下更易產(chǎn)生。這些缺陷的產(chǎn)生與激光匙孔的不穩(wěn)定性相關(guān)。如何充分發(fā)揮激光深熔焊接優(yōu)勢(shì)，解決鋁合金深熔焊接由于匙孔不穩(wěn)定性引起的焊接缺陷問(wèn)題是本論文探索的重點(diǎn)。
　　本論文以5A06鋁合金為研究對(duì)象，采用6

3、kW碟形固體激光發(fā)生器，系統(tǒng)地研究了單光束激光焊、雙光束激光焊、單光束激光-TIG電弧復(fù)合焊、雙光束激光-TIG電弧復(fù)合焊四種焊接方法在深熔焊接特征下關(guān)鍵焊接參數(shù)對(duì)焊縫形狀及氣孔率的影響規(guī)律，并對(duì)四種焊接方法的焊縫表面成形、熔深波動(dòng)、焊縫深寬比等成形要素及焊縫氣孔率進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，在相同焊接參數(shù)下，雙光束激光焊與單光束激光焊相比，表面成形更均勻，表現(xiàn)為焊縫余高波動(dòng)更小，波動(dòng)幅度約為單光束激光焊波動(dòng)幅度的30％-40%；在熔深和

4、深寬比方面，雙光束激光焊接的熔深和深寬比約為單光束激光焊的50%-80%；無(wú)論是單光束激光深熔焊還是雙光束激光深熔焊，均存在熔深波動(dòng)現(xiàn)象，波動(dòng)幅度約為其熔深的20%-40%。單光束激光-TIG電弧復(fù)合焊與雙光束激光-TIG電弧復(fù)合焊在焊縫成形對(duì)比分析方面，分別與單光束激光焊及雙光束激光焊有著相似的規(guī)律。
　　在鋁合金非熔透型焊接條件下，通過(guò)分析氣孔率與焊縫形狀的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，氣孔缺陷與焊縫深寬比密切相關(guān)。無(wú)論是單光束激光焊、雙光束激光

5、焊還是單光束激光-TIG電弧復(fù)合焊及雙光束激光-TIG電弧復(fù)合焊，焊縫深寬比越大，氣孔越嚴(yán)重。當(dāng)焊縫的深寬比不超過(guò)0.8時(shí)，四種焊接方法的焊縫氣孔率均可以控制在3%以下。
　　在對(duì)關(guān)鍵焊接參數(shù)對(duì)焊縫形狀及氣孔率的影響規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，采用高速攝像儀對(duì)單光束激光焊、雙光束激光焊、單光束激光-TIG電弧復(fù)合焊以及雙光束激光-TIG電弧復(fù)合焊四種焊接方法下匙孔、等離子體以及飛濺的動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行采集，利用MATLAB軟件對(duì)采集的圖像信息進(jìn)行

6、處理分析。研究表明，四種焊接方法的激光匙孔和等離子體都存在著由產(chǎn)生到長(zhǎng)大再逐漸變小甚至湮滅的周期性變化，不同于單光束激光焊及單光束激光-TIG復(fù)合焊，雙光束激光及與 TIG復(fù)合焊的匙孔存在長(zhǎng)大及分離、維持、合并及縮小的過(guò)程。相同焊接參數(shù)下，雙光束激光焊的匙孔開(kāi)口面積的均值約為單光束激光焊的2倍，匙孔開(kāi)口面積變異系數(shù)約為單光束激光焊的50%，匙孔的波動(dòng)周期約為單光束激光焊的1.5倍；同樣的規(guī)律也反映在等離子體的變化特征上，相同焊接參數(shù)下，