全鋁結(jié)構(gòu)船長甲板的CO-,2-激光焊接技術(shù)研究.pdf

1、本文以全鋁結(jié)構(gòu)高速船長甲板為主要應(yīng)用背景,以中厚度船用鋁合金長焊縫焊接為主要研究對象,針對目前全鋁結(jié)構(gòu)船舶長甲板焊接技術(shù)存在的諸多問題,在分析船舶工業(yè)中CO2激光加工系統(tǒng)應(yīng)用特點及對CO2激光長焊縫焊接光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)進行計算的基礎(chǔ)上,利用SlabCO2激光器的飛行光學(xué)加工系統(tǒng)對4.0mm和6.0mm的5083鋁合金及6.0mm的6061鋁合金進行了激光焊接基礎(chǔ)工藝和長焊縫焊接工藝的研究,并對兩種船用鋁合金的CO2激光焊接接頭性能進行了綜合

2、評定,探討了CO2激光焊接技術(shù)在全鋁結(jié)構(gòu)船舶制造工業(yè)中應(yīng)用的可行性問題。采用高速攝像裝置和光譜分析技術(shù)對鋁合金CO2激光焊接光致等離子體行為進行了研究。 5083鋁合金由于易揮發(fā)性元素Mg含量大,實現(xiàn)深熔焊的閾值功率要低于6061鋁合金；內(nèi)徑為5.0mm的輔助氣體噴嘴既具有良好的層流干伸長度,又能提供足夠的輔助氣體以稀釋等離子體,且對于5083鋁合金采用201/min氦氣和21/min氬氣的混合氣體能夠獲得良好的焊縫表面,對于6

3、061鋁合金應(yīng)采用301/min氦氣和21/min氬氣的混合氣體作為輔助氣體。激光功率、焊接速度、送絲速度的合理匹配對焊縫成形至關(guān)重要。對于三種規(guī)格材料,采用激光掃描焊接和激光填絲焊接的方法,實現(xiàn)了船用鋁合金中厚板長焊縫的CO2激光焊接,獲得了成形美觀且無明顯外觀缺陷的焊縫,得到了八套焊接工藝方案。 根據(jù)全鋁結(jié)構(gòu)船舶長甲板焊接光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計要求,利用高斯光束傳輸和聚焦的基本理論,分析計算了激光器光束質(zhì)量、聚焦鏡焦距以及材料焊接所

4、要求的聚焦光斑最大值的設(shè)定對飛行光束光學(xué)參數(shù)的影響。對比了擴散冷卻板條DC035CO2激光器和快速軸流RS200CO2激光器用于飛行光學(xué)加工系統(tǒng)的差別。理論上兩種CO2激光器都可以用于實現(xiàn)大范圍激光加工的飛行光學(xué)系統(tǒng),但從實際系統(tǒng)的實現(xiàn)而言,光束質(zhì)量較好的DC035CO2激光器比光束質(zhì)量較差的RS200CO2激光器更加適用于船用鋁合金長焊縫焊接的飛行光學(xué)系統(tǒng)。 船用鋁合金厚度越小,實現(xiàn)長焊縫全熔透焊接所允許的聚焦光束束腰半徑變化

5、量ωivar和聚焦光束束腰位置變化量Sivar范圍越大。在實驗條件下,對于4mm厚的5083鋁合金實現(xiàn)全熔透焊且焊縫表面成形較好,要求ωivar小于30μm,Sivar小于4.0mm;對于6mm厚的5083鋁合金實現(xiàn)全熔透焊且焊縫表面成形較好,要求ωivar小于20μm,Sivar小于3.0mm;對于6mm厚的6061鋁合金實現(xiàn)全熔透焊且焊縫表面成形較好,要求ωivar小于15μm,Sivar小于2.0mm。對于I型坡口,激光掃描焊和填

6、絲焊所允許的最大間隙分別為0.5mm和0.7mm。由于鋁合金長甲板激光焊接對試樣的坡口準備和裝夾精度要求甚高,在實際生產(chǎn)過程中目前的坡口加工方式和工裝夾具,無法滿足激光焊接的要求,因此成為全鋁結(jié)構(gòu)船長甲板激光焊接技術(shù)實際應(yīng)用的最大障礙。 5083鋁合金激光填絲焊接頭和雙面焊接頭拉伸強度可達到母材強度的95％,而屈服強度基本與母材的屈服強度持平,拉伸斷口位于熔合線附近；6061鋁合金激光填絲焊接頭和雙面焊接頭拉伸強度可達到母材強度的82％

7、,而屈服強度低于母材,拉伸斷口沿焊縫45°對角線開裂。5083鋁合金激光焊接接頭經(jīng)150°三點彎曲試驗而不開裂,6061鋁合金激光焊接接頭彎曲90°沿熔合線發(fā)生開裂。5083鋁合金激光焊縫沖擊韌性值高于母材,而6061鋁合金激光焊縫沖擊韌性值低于母材。 當激光功率超過材料深熔焊接閾值功率后,激光功率對光致等離子體溫度的影響不大；激光聚焦光斑位于工件表面附近時,光致等離子體溫度較大離焦情況下低；焊接速度對光致等離子體溫度的影響表現(xiàn)

8、為倒"U"形曲線規(guī)律,即在焊接速度較高和較低情況下,光致等離子體溫度均為下降趨勢；He氣對光致等離子體有良好的冷卻效果,對于一定內(nèi)徑的輔助氣體噴嘴,等離子體溫度隨輔助氣體流量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；在He氣中加入Ar氣會導(dǎo)致光致等離子體溫度升高,且升高幅度隨加入Ar氣含量的增加而增加。光致等離子體溫度位于6000±200K溫度范圍內(nèi)時,焊縫表面成形質(zhì)量普遍較好；工件表面的等離子體對焊縫的熔深沒有貢獻,對焊縫熔寬的影響也不明顯。

9、對全鋁結(jié)構(gòu)船長甲板的激光焊接技術(shù)研究,具有重大的實際工程應(yīng)用價值,同時也具有一定的理論研究價值。在工程應(yīng)用方面,研究成果能夠為論證CO2激光焊接技術(shù)在全鋁結(jié)構(gòu)船舶制造工業(yè)中應(yīng)用的可行性問題提供必要的技術(shù)基礎(chǔ),對相關(guān)部門制定全鋁結(jié)構(gòu)船舶長甲板的工業(yè)激光解決方案,具有重大現(xiàn)實意義。在理論研究方面,研究涉及的鋁合金大功率激光焊接技術(shù)、大功率激光深熔焊接小孔和等離子體行為的分析研究,對車輛、航空航天等行業(yè)鋁合金的激光焊接技術(shù)具有重要指導(dǎo)意義。