（光学工程专业论文）1420铝锂合金的双光束激光焊接.pdf

摘要 摘要 激光焊接以其焊接速度高、焊缝窄、热影响区小等一系列优点已经在工业中 得到了广泛的应用。但由于铝合金对激光的高反射性和铝合金本身的物理化学性 能，焊接过程的稳定性及气孔等焊接缺陷是铝合金激光焊接中有待解决的难题。 而双光束激光焊接以其可以扩大匙孔的开口、提高焊接过程稳定性的优势，已经 成为激光焊接的新的发展方向。 在现有的双光束激光焊接研究中，多用平行的两束光作为光源，而成一定角 度的双光束激光焊接实验研究则鲜有发表。本论文对成一定角度的双光束激光焊 接的特点和规律以及其焊接1 4 2 0 铝锂合金的工艺进行了系统的研究。首先以低 碳钢为实验材料研究了双光束激光焊接的特点和规律，试验结果表明当两光束夹 角为2 2 。时，焦斑间距在0 一1 0 咖范围内，能得到焊接过程稳定、外观和截面 成形理想的焊缝；当两焦点间距大于1 0 珊时，材料对激光束的热利用率变小， 焊缝变浅。在激光焊接时，5 0 8 3 和1 4 2 0 的气孔倾向性比一般的铝合金要大，所 以在初步了解双光束激光焊接的特点后，论文以5 0 8 3 铝合金为实验材料研究了 双光束激光对铝合金焊接气孔的控制效果。在研究中发现，5 0 8 3 铝合金的双光 束激光焊接能实现稳定的深熔焊接，焦斑间距为o 4 m m 时焊接过程稳定，焊缝 成型好，气孔率低。在掌握成角度的双光束激光焊接基本规律的基础上，论文对 1 4 2 0 铝锂合金的双光束激光焊接进行了实验研究，经过实验得出最佳焊接工艺 以达到降低气孔率、省去焊前预处理步骤地目的。最后论文进行了1 4 2 0 铝锂合 金的对接焊实验研究，探讨了焊接工艺对焊接试样力学性能的影响。实验结果证 明，选用合适的对焊工艺，焊缝的平均拉伸强度达到了3 3 6 1 m p a ，为母材的8 7 5 。 关键词：激光焊接双光束铝锂合金焊接气孔力学性能 北京t 业大学1 = 学硕十学位论文 a b s t r a c t t o d a y ，l 嬲e rw d d i n gi sb e i n gu s c di ni n d l l s 仃yd u et 0h i 曲w e l d i n gs p e e d ，s m a l l w e l d i l l gs 锄锄dn 锄wh e a ta 侬：c t c dz o n e i i lc o m p a r i s o nt os t e e l ，灿a 1 1 0 y ss h o wa m o r ec o m p l e 】【i n n u e n c eo fm a t e r i a lp r o p e n i e so n1 a s e rw e l d i n gp m c e s sw h i c hi s m a i l i l y 血et 0 吐1 e i r1 0 w e ra b s o r p 曲时a n dh i 曲e rm e r r n a lc o n d l l c t i v i 啦hc o n n o c t i o n w i mo t l l e rp r o p c n i e si to r e l l1 e a d st od e f b c t s h y d r o g e i lp o r 髓，p r o c 鼯sp o r ea 1 1 dm d t 巧e c t i o n s i tw a sr 印o r t e dt 1 1 a tm eu s eo fd u a ll a s e fb e 锄f o rw d d i n gc o u l di i l c r c 勰e k e y h o l es t a b i l i 魄m a k eab e t t e rw d dq u a l i 哆s od 吲- b e a i i ll 够e rw e l d m gi sb e c o m i n g 趾i m p o r t 锄tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m 朗td i r e c t i o ni nm e6 d do f l 嬲e rp r o c e s s i n g t h ec h a m 曲嘶s t i c so f m ed u a lb e a m1 a s e rw c l d i n ga n dm et e c h n i c so f a l - l ia l l o y l 鹤e rw d d i n gb yd u a l - b e 姗a r cs t u d i e ds y s t 锄a d c a l l yi i lm i sp 印既f i r s n y ，t l l el 觞e r w e l d i n go fs t e dw a sp e r f o r n l e dt 0e x p l o r et l l ep e c u l i a r i t i e sw i 也m ed u a lb e 锄m o d e i nm ee ) p 舒m 即t t h er e s u l t ss h o wm a tt l l ew e l d i n gp r o c e s si ss t a 【b l e ，m ew e l d 印p e a r 柚c ei sr c g u l a ra 1 1 dm ec r o s s _ s e c t i o nl o o k sg o o dw i mf o c a ld i s t a i l c ei nr a n g eo f 叽1 o m mw h m eb e a n l sa n 百e 、i m2 2 。船c ho t l l 既t h ew e l d h 培d 印t hw o u l d d e c r e a w h e i lt 1 1 ef o c a ld i s 切n c eb e c o m e sl a g e rm a i l1 0 i i l m g m 锄ls p e a k i n g ，i i lt l l el a s e rw e l d i i l go fa l u m i n 啪a l l o y s ，t l l et 锄d 饥c yo f p o r c s a i l db l o w h o l e si nt 1 1 ct y p e so f 5 0 8 3a n d1 4 2 0i sb i g g e rm a l lt l m to f o t l l e r s s os e c o n d l y ， 也e yw e r ec h o s e i l 勰t l l et e s tm a t 甜a l si n 也ee x p 吲血e i l t sf 缸f i l l 曲c ri i l v e s t i g a t i o n ni s f 0 1 1 i l d 吐l 巩f o ra l l l l l l i n ma 1 1 0 yo f5 0 8 3 ，m ew e l dq u a h t y 嘶t l ls 诅b l ew e l d i n gp r o c e s s ， 1 0 wp 0 r a t e 锄d 明1 a 1 1p o r ed i m e n s i o nc a nb e 删e v 沮w i t l lm ed u a l - b 锄l a s c r w d d i n ga tt l l ef o c a ld i s t 锄c eo fo 缸珊b e 噼o e i lm eb e 锄s t h er e s u l t so fd u a l - b e a i n l a s e r w e l 曲培f o r l 4 2 0 a 1 一l ia 1 1 0 yo n t l l e w a yo fs 伽1 1 1 i n go n 幽e p l a t es h o w t | 埘1 0 w p o m s i 锣w 嬲m a d eb yo p t i i i l u mp a r a i i l c t e 塔、) l r i t l l o u tp 燃r e l d 仕缸n 锄t f i n a l l y ，t l l e 1 4 2 0a l l ia l l o yb u t t - w e l d i n gc ) 【p 舐m t sw e r ec a r r i c do u tw i t l ld i f 陆c n tt o c h l l i c s o p d c a lm i c m s c o p ea n ds c 删n gc l e c h o ni i l i c r o s c o p ew e r e 瑚e dt oa n a l y s et l l e i i l i c r 0 蛐n l c t i l r ca n dm eq u a l i t i 部o fn l ew e l d i l l gj o i i l t t h ei n n u e n c eo fm e c _ h a i l i c a l p r o p e n i e so ft l l ew e l dj o i n t sw a si n v e s t i g a t e dt o o t h ed a t ao ft e n s i l et e s ts h o wt h a t t h ea v e r a g ev a l u eo f t h et e i l s i l es n 珊g mf 0 rw e l d i n g j o i n t si s3 3 6 1 m p a ，a b o u t8 7 5 嚣m u c h 邪m a to f t h eb a s em e t a l ，i nb u t tw e l d i n gm o d e 谢t l lp r o p 盯t e d m i c s k e yw o r d s ：l 勰e f w e l d i n 岛d 1 1 a l - b e a m a l - “a l l 唱w c l dp o r o s i 劬 m o c h a i l i c a lp r o p 嘶e s l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名；煎整日期：三! 匠： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名 隧 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一，激光焊接技术历经由脉冲波 形向连续波形的发展，由小功率薄板焊接向大功率厚件焊接发展，由单工作台单 工件加工向多工作台多工件同时焊接发展，以及由简单焊缝形状向可控制的复 杂焊缝形状发展，受激物质也包含了多种气体和固体晶体。激光焊接作为一种高 质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，随着高功率c 0 2 和高功 率y a g 激光器以及光纤传输技术的完善、金属铝聚束物镜等的研制成功，其在 机械制造、航空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学、微电子行业、民用及医 用等领域的应用越来越广。激光加工连同电子束加工和等离子弧加工被并称为 2 1 世纪最具发展前景及最有效的加工技术。 1 2 激光焊接的发展及特点 1 2 1 激光焊接技术的发展 随着激光这种新能源的获得，材料加工的领域被大大拓宽，激光焊接就是激光 应用的重要方面之一。1 9 6 2 年和1 9 6 3 年，已经有关于激光焊接应用的报道。随后， 各国学者又做了许多激光焊接的基础性研究。随着千瓦级连续c 0 2 激光器焊接 试验的成功。激光焊接的研究与应用情况在1 9 7 1 年和1 9 7 2 年发生了变化。在不 锈钢试件上进行c 0 2 激光焊接，形成了穿透熔深的焊缝，从而清楚地表明了小孔 的形成。这些利用c 0 2 激光器进行金属焊接的早期工作证明了高功率连续激光 焊接的巨大潜能。日本、德国、英国和前苏联等国的研究组也相继报道了高功率 c 0 2 激光焊接技术的发展及其优化。c 0 2 激光焊接继续的发展集中于如何获得高 光束质量的致密可靠的激光源，如何理解和解释接头设计、焊接速度、光束聚集 和等离子效应之间的复杂相互作用及其与焊接性能的关系。随着大功率激光器的 出现，2 0 世纪8 0 年代以来，激光焊接得到了深入的研究应用。 北京1 ：业大学t = 学硕十学位论文 由于金属对钕玻璃或n d ：y a g 激光( 波长1 0 6um ) 的反射率远远低于对 c 0 2 激光( 波长1 0 6 pm ) 的反射率，所以，相对于c 0 2 激光器来说，使用平均功 率大大降低的1 0 6pm 波长的固体激光器( 钕玻璃或n d ：y a g ) 进行焊接，可获得相 当的焊接质量。 1 2 2 激光焊接工艺及特点 激光焊接工艺能够向工件传输高于1 0 ，r n m 2 的能量密度，因此，能够形成 深宽比较大的、小孔状的熔深。激光焊接有许多优势所在，如热源的光路操纵容 易，控制简单，工件的变形小，熟影响区狭窄，精确性和自动化程度高，不要求真 空工作室等等。由于激光束能够获得相当高的能量密度，且是清洁并可以方便控 制的热源，所以，激光加工引起了生产和科研领域的广泛关注与浓厚兴趣。应用 领域包括切割、焊接、热处理、软钎焊、硬钎焊、复层焊接及表面硬化等【”。 在航空工业以及许多其它应用中，激光焊接能够实现很多类型材料的连接。 而且激光焊接通常具有许多其它传统熔焊工艺所无法比拟的优越性，尤其是激 光焊接能够连接航空与汽车工业中比较难焊的薄板合金材料，如铝合金与钛合金 等，并且构件的变形小，接头质量高，重现性好。激光加工的另一项具有吸引力 的应用方面是利用了激光能够实施局部微小范围加热的特性。激光所具有的这 种特点使其非常适于印刷电路板一类的电子器件的焊接，激光能在电子器件上 非常小的区域内产生很高的平均温度，而接头以外的区域则基本不受影响。 在激光焊接过程中，当激光束触及金属材料时，热量通过热传导传输到工件 表面及表面以下更深处。在激光热源的作用下，材料熔化、蒸发，并穿透工件的 厚度方向形成匙孔，随着激光焊接的进行，匙孔沿焊接方向移动，进而形成焊 缝。影响焊缝的最终质量的因素很多，如合金成分的蒸发，过大的热梯度( 导致热 裂纹) ，匙孔德塌陷等。热输入与输出之间平衡的维护取决于激光的稳定吸收及能 量在工件内部的均匀传递。激光向工件传递的途径经常被激光焦点处产生的蒸气 所干扰，在一定条件下，这种蒸气可以转化为等离子体，由于等离子体对光的吸 收和反射使激光强度减弱。但是，不管激光焊接中激发与冷却平衡过程存在多少 限制，可以通过改变工艺参数，适应激光焊接的要求，并将各种波动减轻到一定 程度，进而建立稳定的焊接条件。激光焊接研究的首要目标就是辨析影响激光焊 接稳定性和重现性的参数，并寻求控制这些参数的方法。这首先应从激光源本身 一2 第一章绪论 出发因为输出功率与模式的波动在焊接熔池中转换成热波动，从而导致激光焊 接过程不稳定性的产生。激光与材料相互作用过程的高度非线性特征意味着某些 波动在幅度上的快速增加，这同时也提供了控制激光焊接过程的可能性与现实 性，即利用各种传感器检测声、光、电的波动信号，并进行有效的处理，进而有选 择地改变激光的输出方式。如果与激光焊接系统激发、响应有关的众多参数可以 精确控制。激光焊接的精密度是完全可以保证的。 1 2 3 激光焊接的机理 图1 1 显示在不同的辐射功率密度下熔化过程的演变阶段嘲，激光焊接的机 理有两种：热传导焊接和激光深熔焊。 凸出幽圈 凸出凿圈 魏j l ：激光；2 ：被焊金属；3 ：被熔化金属；4 ：匙孔； ( a ) 热导焊，( b ) 深熔焊接 图1 1 不同激光功率密度时的熔化过程 f i g 1 一lm e l 血培p r o c e s s i n d i 丘h 锄t p o w e r i n d e i t y 这两种方式最根本的区别在于：前者熔池表面保持封闭，而后者熔池则被激 光束穿透成孔。传导焊对系统的扰动较小，而对于大功率深熔焊在焊缝熔池处的 熔化金属由于材料的瞬时汽化而形成深穿型的圆孔空腔，随着激光束与工件的相 对运动使小孔周边金属不断熔化、流动、封闭、凝固而形成连续焊缝，其焊缝形 状深而窄，即具有较大的熔深熔宽比。图1 2 显示四种焊法在3 1 6 不锈钢及 d u c o l w 3 0 钢上的焊缝截面形状的比较，如图所示激光焊和电子束焊，焊缝窄 北京t 业大学_ 学硕士学侍论文 且热影响区小，因而变形小。 3 l - | 蔫6 l h “ 图1 - 2 四种焊法在3 1 6 不锈钢及d u c o l w 3 0 钢上的焊缝截面形状的比较 f i 9 1 2 c o m p a r i s o no f w e l d s h a p i n gb yf o u rk i n d so f w e l dm e t l l o d s 传导焊和深熔焊方式也可以在同一焊接过程中相互转换，由热传导方式向 小孔方式的转变取决于施加于工件的峰值激光能量密度。激光焊接的主要优势之 一就是能够通过调节激光与材料的相互作用来优化焊接接头的综合性能。 在铝合金激光焊接中小孔的“诱导”及稳定性是特有的困难【3 】，这是由铝合 金的材料特性和激光的光学特性造成的。由于铝合金对激光的高反射率和高导热 性，要想诱导出小孔，就必须有更高的能量密度阈值。有研究表明，能量密度阈值 的高低要受其合金成分的控制及保护气体种类的影响。铝合金激光焊接的主要缺 陷之一是气孔问题。一般认为：激光焊接在冷却过程中氢的溶解度急剧下降形成 氢气孔；低熔点、高蒸气压合金元素蒸发导致气孔；激光束引起熔池金属波动匙 孔不稳定，容易导致气孔生成。气孔的存在，会导致焊缝的力学性能和气密性下 降。有研究表明。材料表面状态、保护气体种类、流量及保护方法、焊接参数和 焊缝形状都影响气孔的产生，选择合适的表面处理措施，加强保护和采用高功 率、高速度、大离焦量( 负值) 焊接时可以使气孔的产生降低到最少【4 1 。由于铝合 金的物理化学性能特殊。焊接时有一定困难，很大程度上制约了铝合金在工业中 的广泛应用。提高铝合金的焊接技术、开发和应用新的焊接方法是提高铝合金在 工业生产中的应用率所必须攻克的技术关键之一。其中激光电弧复合焊、双束 激光焊及摩擦搅拌焊就是近年发展起来的焊接铝合金的新工艺，在国外工业生 产中已有了一定的应用。其中双光束焊接因可实现性强及其在铝合金焊接中表现 第一章绪论 出的优良性能得到了广泛的关注和研究。 1 3 双光束激光焊接的机理及优势 1 3 1 双光束激光焊接的机理 双光束激光复合焊接是联合两个单独的激光束或把一束激光通过分光镜分 成两束并共同作用在试件表面的焊接方法。双焦点的安置情况如图1 3 所示【5 】= 当两焦点的连线平行于焊接方行时，称两焦点为平行分布方式；当两焦点连线于 焊接方向成一定角度时，称两焦点为成一定角度分布方式；当两焦点连线垂直与 焊接方向时，称两焦点为垂直分布方式。 图1 3 、双焦点排列情况及其所对应得焊缝截面 f i g 1 3a m n g e m t s0 f t h ef o c l l ss p o t sr e l 撕v e l yt 0t b cr c s u l 咖gc r o s ss c e 矗o n s 通常，根据束间距的不同，在两束光平行的双光束激光焊接中可能有3 种焊 接机理，见图l - 4 所示。第一种类型为大束问距的双束工艺，两束中的1 束生成 1 个钥孔，另一束作为加热源，对激光束焊缝进行焊前或焊后热处理。第二种类 型为2 个激光束在同一焊缝熔池中生成2 个钥孔，熔池中融熔金属的流动模式被 改变。在类型3 中，束间距小，2 个光束在同1 个钥孔中与材料相互反应。在两 束光成一定角度双光束激光焊接工艺中，其机理也被认为是在各种束间距下进行 改变，它类似于两束光平行的双光束焊接工掣“。 北京t 业大学t 学硕+ 学位论文 类型3 l b ll b 2 11i 、 。 l l 懒髑v 赫蚕 焙池 2 个光柬产生 1 个焊接焙池中 一个匙孔两十匙孔 焦斑间距盼增加- - 图1 - 4 双光束激光焊接中各种焦斑间距下的焊接机理 f i g 1 - 4 w e l d i n g m e c 血m i 蜘a t v 撕o u s i n t e r b 铷s p 鼯i l l p 眦1 1 e 1d u a l b 锄l 鹊e r w d d i n g 当双光束激光焊接工艺中的束间距较大时( 类型1 ) ，功率密度较大的一束激 光通常作为一个焊接加热源，以在工件上产生1 个钥孔，而另一束激光通常散焦， 或具有较低的激光功率，以在激光焊缝上进行热处理。在此情况下，冷却速率减 小，该特点有利于一些裂纹敏感性的材料，例如高碳钢或合金钢等。另外，熔融 金属和热影响区中的贝氏体组织增加，并有望改善焊缝的韧性。该优点已由许多 实验所验证。并由数学模型进行过分析。 当束间间距减小到一定程度时，焊接机理转换为类型2 ，其中两激光束在同 一焊接熔池中相互反应，并产生2 个单独的钥孔，图1 - 4 所示。在对双e b 焊缝 的早期研究工作中，就束间距对焊缝熔池中的液体金属的质量流的影响以及焊瘤 和咬边的形成进行了讨论，发现由于焊接熔池中熔融金属的流动方向改变，仅可 在适当的焦斑间距可防止焊瘤和不规则焊缝的产生。但是，焊瘤和一些表面缺陷 出现在过小和过大的焦斑间距中。在实验中，2 个电子束在同1 个焊接熔池中产 生了2 个单独的钥孔。当束间距继续减小到类型3 机理时，2 个激光束靠得很近， 从而在焊接熔池中产生1 个共同的钥孔。 在两束光成一定角度的双束激光焊接中，焊接机理可能不同于两束光平行 的双束激光焊接。据报道：组合的2 个高功率c 0 2 激光，在两束光成3 0 。角和1 2 蛳间距条件下产生1 个漏斗型的钥孔。交叉双束所产生的钥孔被放大；因此， 钥孔也有可能不轻易崩溃。所以，交叉双束增强了钥孔的稳定性，并且焊接质量 一6 一 第一章绪论 也得到改善。 1 3 2 双光束焊接的优点及意义 如前所述，单独激光束焊接铝合金时会产生由于钥孔的塌陷而导致的气孔。 研究表明小孔的产生率和焊缝的宽深比有很大的关系，如图1 5 所示 ”，当钥孔 的宽深比很大时，焊缝中的气孔很少。在双束激光焊中，发现双束激光焊有相对 较宽的焊宽和较低的焊缝深宽比，能提高钥孔的稳定性，可以明显地降低气孔敏感 性。其原因在于双束激光焊接时第一束激光产生熔池，并对附近区域进行预热，累 积的热量使第二束激光照射该处时，可以熔化更多的母材，从而形成较宽的熔池， 使激烈发生的金属蒸气可以有较宽的通道析出，减少飞溅，形成较宽的焊缝。此 外，由于第二束激光能可以把第一束激光形成的钥孔后壁气化，避免了钥孔的塌陷， 可以降低形成气孔的机率。 o o i 旺 0 3 帆 图1 - 5 、焊缝宽深比和焊缝中气孔的关系 f i g 1 - 5r e l 撕o n s h i p b e t w e k e y h o l e p r 0 丘k 粕dp o 犯f b r m 撕0 n 采用单独激光焊接铝合金时，钥孔塌陷会产生小孔、飞溅，这是激光焊接铝 合金时最常见的焊接缺陷。在双光束焊接中由于第二束激光增加了熔池的宽度和 存在时间，熔池流动更加稳定，使气化的低熔点金属有较长时间溢出( 如图1 6 所示) ，增加钥孔稳定性、减少飞溅、降低了气孔形成的机率8 1 。 5 4 3 2 ； 9 暑皇薹，8vp葛a-o-ujz 北京工业大学下学硕十学协论文 d lb 眈m ( 1 0 鸭b c a md 姒a n ) ( s i l o nb e a md b n n ) 图1 - 6 ，单光束( a ) 双光束( b ) 深熔小孔示意图 f i g 1 - 6s c h 锄a d co f t l 壕w e l d i l l gp r o c 髓s 激光双光束焊接铝合金时，由于第二束激光直接照射熔池，改善工件对激光 能量的吸收与利用，在加大焊接熔深、提高焊接能力的同时，降低了激光器的功 率输出，从而节约焊接成本。 1 4 双光束激光焊接的研究现状及应用 双光束工艺试验开始于2 0 世纪8 0 年代，由于其独特的优点和可实现性较高 在近十年中得到了广泛的关注和研究。先后做过大量研究的有德国、日本、法国、 美国、加拿大等。而国内在此方面的研究还刚刚起步，成果尚少。 目前双光束工艺研究的重点在于机理类型3 两个激光焦点靠得很近，从 而在焊接熔池中产生1 个共同的钥孔。双光束间距的试验范围在0 2 o 姗之间， 其主要目的是减少气孔的生成，改善接头质量和外观形状。 双光束的实现形式主要有两种：通过联合两个单独的激光束( 图卜7 ) 或用 分光镜把一束光分成两束( 图卜8 ) 来实现 第章绪论 ( b ) 图卜8 、用不同分光装置实现的双光束激光焊接 f i g 1 8g 曲啪矗o f d o u b l ef b c 砸u s i n gd i 行b r 咖t b e 锄s p l i t t i i l gm e t h o d s 图卜8 为把一束激光通过分光装置分成两束来实现双光束焊接的形式。这类 分光装置可通过调节透镜和反光镜的位置和方向来调节两焦斑的距离和两焦斑 9 北京工业大学r = 学硕十学何论文 功率的比值。 目前双光束激光焊接的研究多用于“t ”型接头的焊接以及铝合金的焊接。 使用双光束，对“t ” 型焊缝的两边同步进行焊接可以减少变形、增加精确度、 提高效率。这时候一般两光束成一定的角度，形成两个独立的焊缝。用于铝合金 焊接的双光束激光多用y a g 激光器作为光源，这主要是由于相比c 0 。激光器来说， 铝合金对前者的吸收率更高，且y a g 激光束通过光纤更容易传输和操作。“。 由于双光束激光焊接的显著优点及工艺研究的日渐成熟，在德国和日本双光 束激光焊接己被初步应用于铝合金车身焊接，并表现出了其优良的性能。 由于国内的研究起步很晚，现在还处于试验室研究阶段，在工程中并无具体 应用。 1 5 铝锂合金的研究现状及待解决的问题 1 5 1 铝锂合金的焊接性 铝锂合金作为新一代航空航天结构材料，给飞行器降低自身重量的效果是非 常显著的，连接铝锂合金结构件，可减轻结构重量，提高结构刚度，节约能源， 节省装配时间。铝锂合金用于宇航业，除了强度和刚度的要求外还必须满足焊接 性的要求。因此焊接质量是铝锂合金能否在航空航天工业中大量应用的关键。 自2 0 世纪8 0 年代以来国外对铝锂合金的焊接性研究进行了大量的工作。铝 锂合金具有常规铝合金的相似的物理化学性能，因此在焊接过程中存在以下特 点： 1 铝合金的化学活泼性强，表面极易形成氧化膜； 2 热导率大； 3 热裂纹敏感性强； 4 铝合金的熔体很容易吸收气体( 氢) ，在焊接后冷却过程中来不及析出便 在焊缝中形成气孔； 5 高温下铝的强度和塑性很低，以致不能支撑住熔池液体金属而使焊缝形成 不良缺陷，甚至形成塌陷和烧穿缺陷。因此，一般情况下需要夹具和垫板； 6 含有低沸点元素( 如镁、锂等) 的铝合金焊接时容易蒸发、烧损，从而改 变焊缝金属的化学成分，降低焊接接头的性能“”1 ； 1 0 第一章绪论 7 铝对辐射的反射能力很强，所以激光束等高能束流焊接时能量闽值很高， 对设备的要求相对较高“1 。 由于富含l i 活性金属元素，铝锂合金的焊缝中的气孔比常规铝合金的更为 严重“”3 。铝锂合金表面在高温加工时形成疏松氧化膜，氧化膜中含有l i 。o 、l i o h 、 l i 2 c o 。、l i 3 n 等化合物时造成气孔增加的主要原因。这些化合物在合金表面极易 吸附周围环境中的水分焊接时导致氢进入熔池。1 4 2 0 合金热处理后表面存在以 l i 和m g 的氧化物为主的疏松氧化膜，其中l i 。c 0 3 含量较多，氧化膜厚度约为 o 0 5 唧。为减少和去除焊缝中的气孔，焊前必须对加工表面进行严格处理，而焊 前处理的效果如何已成为铝锂合金焊接成败的关键所在。国外曾在这方面专门进 行过不少研究，对下列几种方法进行了试验： 1 有机溶剂脱脂后进行机械刮削； 2 5 n a 0 h 溶液中浸蚀后再用o 。洗掉反应物： 3 酸洗形成钝化膜； 4 酸洗后进行机械刮削； 5 从表面机械铣削掉o 5 唧； 6 在2 0 0 9 l 的碱溶液中化学铣去0 3 哪； 7 真空除气后机械刮削。 一般认为5 7 的预处理方法可以成功地防止气孔形成。试验中发现至少从 金属表面去掉0 0 5 舢，气孔才能显著减少。而为了确保焊缝中气孔的消除，小 于2 唧厚的板表面必须去掉0 2 0 3 咖“7 “”。而且大量的酸、碱、有机溶剂 的使用势必造成很大的污染，真空除气又会受到真空环境的制约。这已经极大地 影响了铝锂合金的实际应用。 1 5 2 铝锂合金激光焊接应用存在的问题 到目前为止，钨极氩弧、熔极氩弧、电子束、电阻焊、闪光焊、点焊、变极 性等离子焊和激光焊等方法都是铝锂合金焊接时采用的研究方法，但是钨极氩弧 焊是最普遍采用的方法。 焊接方法对焊接缺陷以及接头组织性能都有很大影响，钨极氩弧、熔极氩弧 热输入大的焊接方法，焊接过程中熔化的焊缝金属量大、高温停留时间长，容易 产生气孔和裂纹等缺陷，因此采用低热输入电子束和激光焊接有利于裂纹和气孔 北京丁业大学t 学硕十学何论文 的消除。 由于激光焊接的显著的技术优势，近年来铝合金的激光焊接方面取得了巨大 的发展。但是，由于铝锂合金除了具有常规铝合金所具有的物理和化学特性外， 又具有更高的表面活性及更低的电离能，因此，铝锂合金的激光焊接也就存在更 多的需要进一步深入研究的问题。 首先，铝鲤合金激光同样会遇到铝合金激光焊接的普遍问题一深熔焊接稳定 性差，铝锂合金激光焊接过程的不稳定性可分为三种情况：过渡区不稳定；深熔 焊接过程不稳定；在高功率密度时，可能出现光致等离子体对激光的屏蔽，导致 深熔焊接过程中盱1 9 2 0 2 1 】。 其次，铝锂合金的激光焊接作为一种熔焊方法，也存在一般熔焊工艺方法遇 到的问题，主要是气孔问题。对于焊缝气孔，除了氢气孔以外，还有工艺气孔即 不稳定的小孔在焊接过程中突然闭合在焊缝中形成的气孔以及由于小孔中的金 属蒸汽向外喷发时将熔化的金属带出熔池而在焊缝中留下的空洞【拉2 3 矧。 1 6 本课题的主要研究内容 与平行光束的双光束焊接相比，成一定角度的双光束焊接过程更为复杂，焊 接过程中的影响因素也更多，为了研究其规律和特点，更好的发挥双光束在铝合 金激光焊接中的优势，解决1 4 2 0 铝锂合金激光焊接中存在的问题，本文开展了 以下几个方面的研究： ( 1 ) 研究双光束激光焊接特点，并总结其焊接规律。 ( 2 ) 在初步了解双光束激光焊接的特点的基础上，优化双光束激光焊接工 艺，控制铝合金焊缝气孔率。 ( 3 ) 对原始表面1 4 2 0 铝锂合金进行双光束激光焊接工艺的研究，优化焊 接工艺，使焊接过程稳定，焊缝成形美观，气孔率低，对接焊接头强 度不低于母材的8 5 。 第二章双光束激光焊接基本工艺研究 2 1 引言 第二章双光束激光焊接基本工艺研究 与传统的焊接方法相比，激光焊的焊接速度快、生产效率高、深熔焊的焊 缝深宽比高、热输入小、接头热影响区小、焊接变形小、组织细化。这些突出的 优点使得激光焊接成为最有朝气的焊接方法之一孤2 们。双光束激光焊接以其可 以扩大匙孔的开口、提高焊接过程稳定性的优势，已经成为激光焊接的新的发展 方向。在已发表的双光束激光焊接研究中，双光束的实现方式多为两束光平行的 作用于工件表面上，两束光与工件的夹角一样，而两束光成一定角度的双光束激 光焊接实验研究则鲜有发表。本章对成一定角度的双光束激光焊接进行了实验研 究，来总结其特点和规律。与平行光束的双光束焊接相比，成一定角度的双光束 焊接过程更为复杂，焊接过程中的影响因素也更多，为了更好的研究其规律和特 点，本章实验采用在焊接件所用材料中占有绝对优势的低碳钢作为实验试样，因 为与铝合金材料相比，钢材料对激光的吸收率高、功率阈值低，焊接工艺比较成 熟口7 2 引，焊接过程中的影响因素相对较少。本章通过研究低碳钢在不同工艺参 数条件下双光束焊接后的焊缝成型和截面形状，来总结成一定角度的双光束激光 焊接的特点及规律。 2 2 试验方法 2 2 1 实验装置 实验使用的设备是德国r o 劬一s m a r 公司生产的扩散冷却( s l a b ) c 0 2 激光 器和a 皿o l d 六轴联动加工机。最大输出功率p = 3 5 0 0 w 光束模式为t e m 0 0 ，光束 直径由= 1 7 l l n ，k f - ：3 7 姗姗瞄l d ，光束质量参数k o 9 5 ，采用焦距f = 3 0 0 m m 的铜抛物镜聚焦焦斑直径d = 0 2 6 8 4 n 姐，光束发散角：e = 5 2 0 1 5 7 m 瑚i d ( 全 角) ，焦深z r = 5 0 5 3 7 m m ，m 2 = 1 0 1 。激光功率为2 0 0 0 w 时，采用德国p r o m e t c c 公司u f l 0 0 光束光斑质量诊断仪对该激光器的功率密度分布和光斑半径进行测 北京丁业大学t 学硕+ 学位论文 量，得到焦点位置的功率密度分布，如图2 1 所示； 图2 1 激光束焦点功率密度分布图 f i g 2 一ld i s 耐b u 娃o f t h el a s e rp o w e rd e n s i t ya tf o l c i 培 一1 4 第二章双光束激光焊接基本下艺研究 图2 _ 2 ：双光束实物图与光路简图( 1 、2 是反射镜，3 、4 是聚焦镜) f i 昏2 - 2 n e p i c t 哦锄d s c h 锄e o f d 岫l b e 锄l 嬲e r e q u i p 彻t 分光装置简图如图2 2 所示，激光束先通过1 、2 两个反射镜分光，再分别 由3 、4 两个聚焦镜聚焦，可以通过调节3 、4 两聚焦镜的角度来调节两焦斑位 置和间距，两个聚焦镜焦距均为3 0 0 i i l i n 。 激光通过分光装置后，激光总功率为3 5 0 0 w 时，用光束光斑质量诊断仪对 该激光器的功率密度分布进行测量，得到焦点位置的功率密度分布，如图2 3 所 示。 圈圆圈图 囚医 图2 3 激光束两焦点功率密度分布图 f i g 2 - 3 d i s 仃i b u n o no f 也el a s 髓p o w c rd c l i s i t ya tt w i l lf b c 璐 北京下业大学1 ：学硕十学位论文 2 2 2 试验材料 试样为4 5 号钢，试板尺寸5 0 i n m 1 0 0 哪，6 = 9 哪 试样表面处理：表面工业铣除，焊前丙酮去脂 焊接保护气体：a r ( 1 0 l m i n ) 2 2 3 试验方式 在试验中，双焦点的排布方式有如图2 4 两种，方式一为双焦斑连线平行于 焊接方向，称为平行分布方式；方式二为双焦斑连线垂直与焊接方向，称为垂直 分布方式。 激光束激光柬 ：= ： 焊接方向 焊接方向 方式一 方式二 图2 - 4 ：实验中两焦斑分布方式 f i g 2 _ 4t h ea r f a i l 鲫锄to f d o u b l ef o c u s 2 3 焊接工艺参数 激光深熔焊的能量转换机制是通过小孔来完成的。在足够高功率密度的激光 束照射下，材料表面在激光束的辐射下强烈气化，在气化膨胀压力作用下，液态 表面向下凹陷形成深熔小孔，小孔的形成几乎使入射激光全部被吸收并使小孔周 围的金属熔化，熔融金属的表面张力与小孔内连续产生的蒸汽压力保持着动态的 平衡，当激光束移动时小孔和四周熔融金属随着激光束一同移动，熔融金属填充 着小孔移动留下的空隙，冷却凝固形成焊缝。 而双光束激光焊接由于两激光束间有相互作用其情况会更加复杂，在己知焊 接材料及其厚度、接头方式、聚焦光斑直径、保护气体及流量的条件下，影响焊 接质量的参数主要是激光功率、焦点位置、焊接速度和焦斑间距。 第二章双光束激光焊接基本工艺研究 2 3 1 激光功率 激光功率对焊缝熔深的影响最大。在常温状态，钢对c o 。激光器的吸收率较 低，而在熔融状态时吸收率却很高。因此存在一个功率阂值，当激光焦斑的功率 密度超过这个阈值时才能形成深熔焊接。本实验所用装置把总能量分成两等份输 出，因此在保证深熔的前提下在实验时选择此设备的最高功率3 5 0 0 w 。 2 3 2 焦点位置及双光束夹角 激光深熔焊接时，为了保证有足够的功率密度促使小孔的形成，聚焦光斑的 焦点位置很重要。在单光束焊接时，尤其在厚板焊接中，常用负离焦的方法来增 加熔深和吸收率，但有研究表明在双光束焊接中，当离焦量为负时，焊接过程会 有不稳定现象，焊缝中则会有大量的气孔出现：当激光束的焦点位置焊接时可以 得到好的焊缝成形，气孔率低。所以在试验前，分别用光束光斑诊断仪来诊断 两束光的焦点位置，在试验时调整聚焦镜的角度，选择把工件放在两光束焦点位 置，以保证深熔焊的稳定进行。 当两束光焦点作用于一点时，此双光束分光装置可调节两光束的夹角分别为 2 2 。及3 0 。，所以分别在两种角度下做平板扫描焊试验以便用以比较。 2 3 3 焊接速度 在其他参数不变的情况下，熔深一般会随焊接速度的增加而减小。随着焊接 速度的增加，焊接效率过高，会使熔深过浅，有文献指出，在总功率一定的情况 下双光束焊接要想获得一定的熔深就必须以减慢焊接速度为代价“1 ，通过试验， 最后选取的焊接速度范围是1 7 m m i n 2 3 4 焦斑间距 两焦点之间的距离称为焦斑间距，在成一定角度的双光束焊接时，随着双光 束焦斑间距的不同，在深熔焊时其形成小孔的机理也不同，如图三所示，当两焦 斑距离过近时，两束光形成的小孔会在板材加工面下相交，形成两个交叉的小孔； 随着两焦斑间距的增大，两束光相互作用形成一个小孔，上端开口增大有利于气 体逸出，稳定焊接过程；当两焦斑间距继续增大时，两束光将形成两个独立的小 孔，熔深变浅。所以在双光束焊接中焦斑间距对焊缝成型、熔深和熔宽都有很大 北京下业大学t 学硕十学位论文 的影响。 图2 5 ：双光束形成小孔的形式 f i 9 2 - 5 1 1 1 es c h 锄eo f k e y h o l e si i ld u a lb e a m1 鹪盯w e l d i n g 有关文献曾经得出结论“1 ，平行的双光束两焦斑间距在0 l _ o 嘞时在熔池下 方能形成一个小孔，而在间距大于1 o 唧时，两束激光将形成两个完全独立的小 孔。因此为了研究成一定角度的双光束焊接的特性，本试验研究所选取的焦斑间 距范围是0 2 唧。 2 4 试验结果及分析 2 4 1 焦斑平行分布时实验结果及分析 当两焦斑按方式一平行排布时，焊缝外观成形是比较规则的鱼尾纹，表面 光滑没有明缺陷，焊缝截面形状为漏斗形，如图2 6 所示。 图2 6 ：焦斑平行分布时焊缝表面形态和截面图( 焊接速度3 m m i n ，光束夹角3 0 。) f i 9 2 6 t h eu p p c rb 税i da n d 锄c m s s - s e c 石o n so f 也ei 1 1 1 i n ea r r a n g 锄e n t 第一二章双光束激光焊接基本丁= 艺研究 随着焦斑间距的增大，如图2 7 所示，在一定范围内焊缝熔深熔宽会变大， 这主要是因为，随着焦斑间距的增加两光束由两个互相交叉的小孔转而形成一个 小孔，能量比较集中，金属熔化量增加，熔融金属的相互作用结果是液态金属向 垂直于两焦斑连线的方向流动”1 ，所以其熔深熔宽均有不同程度的变大。而随着 焦斑间距继续增加，两束光会形成两个完全独立的小孔，熔深熔宽便急剧减小。 但当速度较大时，焦斑间距对熔深熔宽的影响逐渐变小。 图2 7 ：焦斑平行分布时焦斑间距与熔宽、熔深关系图( 3 0 。) f i 9 2 7 1 1 1 e 妣a ld i s 切l l 鹊a c t j 彻o f w e l d i n gd e p t h 锄dw i d mf o ri 1 1 l i i l e 跏g e i l l e n t ( 3 0 。) 1 9 北京t 业大学工学硕士学位论文 图2 8 焦斑平行分布时焦斑间距与熔宽、熔深关系图( 2 2 。) f i 9 2 8 t h ef b c a ld i s t c e af h n 嘶0 1 1o f w e l d - n gd e 呻dw i d t hf o ri n l i n ea m n g e n t ( 2 2 。) 对比2 7 和2 8 可以发现，当两光束夹角变小时，焊缝对应的熔宽会变小、 熔深会变大，这是因为当两光束夹角变小时作用在板材表面上的能量密度变大， 在表面上作用面积变小，熔宽会相应变小，而增大的能量密度有利于熔深的增加。 2 4 2 焦斑垂直分布时实验结果及分析 当两焦斑按方式二垂直分布时，随着间距的扩大和速度的提高焊缝形状变化 较大。当焦斑间距较小速度较低时，焊缝外观成形比较规则，表面光滑，没有明 显缺陷。 第二章双光束激光焊接基本工艺研究 图2 9 焦斑垂直分布时焊缝表面形态和截面图( 焊接速度3 m i n 、光束夹角3 0 。) f i 9 2 9 t h eu p p e rb e a d 柚d 锄c r ；0 s s 删0 n so f t h ec r o s sa n 韧g 锄e n t 而当焦斑间距大于1 o 哪时，焊接过程变得不稳定，由于两光束的相互影响 焊