5754铝合金激光填丝搭接焊缝成形及气孔的研究

【摘要】：激光焊接技术具有焊接质量高、精度高、焊件变形小、焊接过程效率高以及无需真空条件等优势，目前成为研究铝合金焊接的热点之一。激光填丝焊接在保留激光自熔焊接优势的基础上，又克服了激光自熔焊接对工件加工和装夹要求高等问题，而且可以通过填入焊丝提高焊缝的成形质量，调整焊缝成分、补充易烧损的金属元素。但是焊丝的加入使得焊接过程变得复杂，因此对于铝合金的激光填丝焊接在国内研究较少。本研究采用先进的4kW光纤激光器和具有稳定送丝能力的焊机，研究了搭接形式下，激光填丝焊接5754铝合金的焊接性。 研究表明，焊接速度对于焊缝的表面成形的影响最大，焊接速度过小或过大都会得到成形不好的焊缝；而焊缝表面成形质量对激光功率和送丝速度具有较高的容忍度，在较大范围内改变送丝速度和激光功率，都得到了成形良好的焊缝；增加送丝速度，焊缝熔宽变化不明显，焊缝堆高增加。此外，激光功率和焊接速度与焊缝熔深呈线性变化的关系，增大激光功率、减小焊接速度，焊缝熔深线性增加；增加送丝速度，焊缝熔深呈阶梯式减小，减小幅度并不明显。 5754铝合金是Al-Mg系的简单共晶型合金，有α和β两相，β相是Mg2Al3化合物，α和β能够形成共晶体。激光填丝焊接5754铝合金，得到的典型接头分为母材区、焊缝热影响区和焊缝区。横向硬度从大到小分别是焊缝区、母材区和热影响区，焊缝纵向硬度变化不大；激光焊接焊接速度快，焊缝热影响区很窄，但组织较为粗大，力学性能最差。焊缝区从上部到下部组织分布有区别，上部晶体生长时间较长，有较为粗大的α相晶体生成，下部枝晶和共晶组织分布较为均匀。 焊缝中的工艺气孔对焊缝性能有很大影响，它的形成原因是激光深熔焊接过程中，由于匙孔发生的机械扰动，一部分金属蒸汽形成气泡，焊缝凝固后成为工艺气孔。改变激光功率和焊接速度，会改变熔池中的温度分布从而改变焊缝中匙孔的稳定性，进而影响焊缝中工艺气孔的形成。研究发现，焊接速度越大，气孔率越小；激光功率越大，气孔率越大；在一定范围内改变送丝速度，气孔率变化不大。 最后，在研究了焊接参数对工艺气孔影响的基础上，本文还研究了如何在搭接焊缝中设置合适的间隙来减小工艺气孔。研究发现，预留一定的间隙有利于减小工艺气孔的形成；在合适的间隙条件下，熔池中所形成的气泡通过间隙逃逸出焊缝，从而能够降低工艺气孔的含量。预留一定的间隙，在减小气孔含量的同时，还能够提高搭接焊缝的剪切强度。