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铝合金激光深熔焊接过程行为与缺陷控制研究

杨璟  
【摘要】:大型复杂结构件的长焊缝质量一致性是薄板激光焊接技术应用的关键。由于在高能量密度束流的作用下,激光深熔焊接存在金属蒸汽/等离子体云、小孔、熔池交互作用的复杂物理过程,又由于铝合金特殊物理性质,很容易造成其激光焊接过程的不稳定从而导致焊缝缺陷的产生,因此缺陷控制研究往往是铝合金激光深熔焊接研究的重点。 以5A90铝锂合金等飞行器用典型铝合金为对象开展了激光深熔焊接过程行为、焊缝缺陷及相关机理研究。围绕激光深熔焊焊缝质量控制,深入研究了焊接参量对铝合金激光焊焊缝成形的影响规律;分析了激光深熔焊焊缝气孔、表面下塌缺陷的特征和影响因素;基于激光深熔焊接过程中对小孔、熔池的特征和行为的认识,探讨了铝合金激光深熔焊接过程中焊缝气孔、表面下塌等缺陷的产生机理,以及控制方法。 高速摄像观测表明,未熔透深熔焊接过程中,金属蒸汽/等离子体在小孔上方不规则波动,小孔正面表现出不稳定的周期性开合且小孔表面半径变化很大,熔池正面呈水滴状且尺寸在振荡中变化;而全熔透焊接过程中,金属蒸汽/等离子体在小孔背面周期性喷发,小孔正面呈现较稳定地周期性开合,随着熔透焊接热输入增加,小孔正面开合的周期性趋于稳定且周期变长,熔池正面尺寸则随之变长、变宽,熔池表面塌陷明显。 采用焊缝背宽比表征薄板铝合金激光深熔焊全熔透焊缝成形质量,离焦量、激光功率、焊接速度是影响焊缝背宽比的主要焊接参量,可由激光功率密度和焊接热输入两个能量参量综合表现。统计分析获得激光功率密度和焊接热输入双能量参数作用下焊缝缺陷回归曲线的控制方程,焊缝背宽比为0.6是焊缝气孔缺陷的控制曲线,焊缝背宽比为0.9是焊缝下塌缺陷的控制曲线。 气孔特征显示出焊缝存在“冶金特征型”气孔和“工艺特征型”气孔。前者主要由于焊件表面污染物、杂质、过饱和氢所致,表面处理是主要控制方法;后者是小孔的周期不稳定开合行为所致,焊缝稳定全熔透,可有效抑制该类气孔。强烈金属气化是铝合金焊缝下塌缺陷的主要原因。采用热源能量组合的方法可抑制焊缝气孔和下塌缺陷。双光点激光基于自身热源的分配调控,增加了小孔稳定性,有利于气孔的逸出,YAG-MIG复合焊接通过电弧实现能量组合,可维持小孔打开程度和时间,有效改善了熔池表面塌陷,从而抑制了焊缝气孔、下塌缺陷。


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