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光纤激光—电弧复合焊接高强铝合金工艺、缺陷产生与质量控制

严军  
【摘要】:近年来,光纤激光器以其输出功率高、光束质量好、结构紧凑、能采用光纤传输等优点,在焊接领域具有广阔的应用前景。光纤激光一MIG(熔化极惰性气体保护焊)复合焊接技术集成了两热源的优点,具有更高的焊接效率和更强的适应能力,是目前激光焊接技术的研究热点。但是研究表明,其在焊接高强铝合金厚板时存在焊缝成形不佳,易出现气孔、裂纹等缺陷,接头性能还有待进一步提高等尚未解决的技术难点。为此,本文针对2xxx、6xxx系列高强铝合金光纤激光一MIG复合焊接高强铝合金的工艺特性、焊缝成形特点、气孔产生及抑制机理、接头显微组织演变机制以及接头性能进行了系统研究,旨在为实现复合焊接厚板高强铝合金的工程应用奠定理论基础。具体研究成果如下: 对单独光纤激光焊接高强铝合金工艺特点、冶金缺陷、接头性能及其焊接适应性进行了研究。结果发现,冶金缺陷是影响高强铝合金激光焊接接头质量主要因素。其中,咬边缺陷随焊接速度与激光功率密度的增大而增大。而且,针对不同类型的铝合金,母材中低沸点合金元素含量越高,激光束诱发等离子体的能力越强,接头咬边程度越大。通过正交试验发现,激光小孔深度和等离子体波动是影响气孔率的主要原因;保护气种类、激光功率、离焦量显著影响气孔率的置信度为95%。在上述研究基础上,实现了光纤激光焊接高强铝合金的参数优化,获得了质量标准达到C级的光纤激光焊接接头,最大抗拉强度达到母材的72%,比电弧焊接接头高11%。 开展了高强铝合金光纤激光-MIG复合焊接研究,得到了最优工艺参数范围。研究认为激光与电弧的最佳热源间距范围随焊接电流的增大而增大,采用氦氩混合气体可以获得更大的焊接熔深和更好的焊缝成形。通过熔池受力分析得到了焊缝成形质量控制方法,绘制了成形质量控制图。 对高强铝合金光纤激光-MIG复合焊接接头的气孔产生和抑制机理进行了深入分析,得到了气孔抑制方法。分析认为增大小孔直径、提高工件上方温度、增加电弧电流是实现抑制复合焊接接头气孔的有效手段。增大小孔直径、提高工件上方温度能够降低小孔内等离子体密度、稳定激光小孔,实现对气孔的抑制。增加MIG电流能够提高电弧力,加速熔池流动,消除复合焊接气孔。通过实验验证,首次获得了成形质量好、无气孔缺陷,厚度为8mm的高强铝合金复合焊接接头 系统分析了高强铝合金激光-MIG复合焊接接头的微观组织特征,研究复合焊接头内电弧区和激光区在热作用方式、热输入、温度梯度上的差异性及其对焊缝微观组织的影响,得到了焊缝微观组织演变机制。接头下部主要受激光束作用,焊接热输入小、温度梯度大,晶粒尺寸更小,热影响区更窄。接头上部受激光与电弧的共同作用,热输入较大,热影响区更宽,且形成了半熔化区。 选用ER5356、ER5087和ER4043三种焊丝研究了复合焊接接头中焊丝成分—显微组织—接头机械性能—断裂机制之间的关系。并在此研究的基础上进一步提高了接头性能。ER4043焊丝焊接的接头晶粒尺寸最大,柱状晶长度最短,接头性能最差,断口观察呈现穿晶准解理断裂特征。ER5087焊丝能细化晶粒,其晶粒尺寸最小,得到的接头强度最高,达到母材的75.6%。此外,其断口的韧窝深度更大,呈韧性正向断裂特征。以上研究取得的结论为实现厚板高强铝合金的激光-电弧复合焊接实际工程应用具有重要意义。


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