（光学工程专业论文）铝合金t型接头激光电弧两侧同步焊接技术研究.pdf

摘要 摘要 在飞机、汽车和机车车辆等制造业中，为了减轻运载工具的自重，提高运载 能力，越来越多地采用轻金属合金与薄壁型轻量化结构。尤其在飞机蒙皮、筋板 等制造中，采用焊接代替传统的铆接工艺，减重效果显著。然而由于铝合金特性 及t 型接头结构特点，无论传统焊接还是先进的激光焊接都遇到了焊缝气孔、裂 纹、变形等依靠单独焊接方式难以解决的问题。本文采用激光一电弧两侧同步焊 接方法成功焊接了3 m m 厚铝合金t 型接头，既发挥了两种热源的优势，又弥补了 各自的不足。 首先，根据激光一电弧两侧同步焊接试验要求和t 型接头特点，设计与优化 了定位装置、电弧焊枪及工装夹具，为工艺研究提供了装备条件。 其次，研究了铝合金激光一电弧两侧同步立板横焊的工艺参数对焊缝成形的 影响，得出一组焊缝成形好的参数范围，为t 型接头焊接试验打下基础。结果表 明：激光一电弧两侧同步焊接关键是实现两侧熔池相互贯通。当两侧能量较匹配， 两熔池完全贯通、熔为一体、两侧熔宽相差较小时，激光与电弧相互作用强，焊 接过程稳定，焊缝成形好。 最后，研究了6 0 6 1 铝合金t 型接头激光一电弧两侧同步焊接工艺参数、接头 形式对焊缝成形的影响，并对焊接头显微组织、力学性能进行了考察与分析。结 果表明：采用激光一电弧两侧同步焊接在合适的工艺参数下t 型接头焊缝成形好， 两侧焊缝组织相似且以等轴晶为主，过度均匀。十字架焊接接头的抗拉伸强度达 2 4 7 7 m p a ，断于母材；弯曲角度超过1 5 0 ，裂纹呈锯齿状。 研究成果有助于进一步了解激光一电弧两侧同步焊接相互作用，有助于进一 步降低焊缝气孔、变形等焊接缺陷，提高焊接过程稳定性和能量利用率，从而提 高我国高强铝合金焊接技术在航空航天、快速列车、高速轮船及汽车等制造行业 的应用。 关键词：铝合金t 型接头；激光一电弧；两侧同步焊接；焊缝成形：力学性能 abstract a b s 姒c t t o d a y , l i g h tm e t a la l l o y sa n dt h i n - w a l l e dl i g h t w e i g h ts t r u c t u r ea r ei n c r e a s i n g l y u s e di nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e ss u c ha sa i r c r a f t ，a u t o m o b i l ea n dr o l l i n gs t o c ki n o r d e rt or e d u c ev e h i c l ew e i g h ta n di m p r o v ec a r r y i n g c a p a c i t y i ti sp r o m i n e n tt o r e d u c ew e i g h tt h a tu s i n gw e l d i n gc r a f t sr e p l a c et r a d i t i o n a lr i v e tb o n de s p e c i a l l yi nt h e m a n u f a c t u r i n go ft h ea i r c r a f ts k i n ，p a n e l ，e t c h o w e v e r , d u et ot h ep r o p e r t i e so f a l u m i n u ma l l o ya n dt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft - j o i n t ，w h e t h e rt r a d i t i o n a lt i g w e l d i n go ra d v a n c e dl a s e rw e l d i n gh a st of a c ew i t hs o m ep r o b l e m si nf o r m a t i o no f w e l d ，s u c ha sp o r e s ，c r a c k s ，d e f o r m a t i o n ，w h i c ha r ed i f f i c u l tt os o l v eb ys i n g l ew a y i n t h i sp a p e r , t h ef i l l e tw e l df o rt j o i n to f3 0i n l l lt h i c k6 0 6 1a l u m i n u ma l l o yh a sb e e n c o m p l e t e dt h r o u g hl a s e r - t i gb o t h s i d es y n c h r o n i z a t i o nw e l d i n g ( l t b s w ) ，w h i c h p r o v i d e sm a n ya d v a n t a g e sw h i c ha r en o tf o u n di ne i t h e r f i r s to fa l l ，t h e p o s i t i o n i n gd e v i c e a r ct o r c ha n df i x t u r ew h i c ho f f e rt h e e q u i p m e n tc o n d i t i o nf o rc r a f ti n v e s t i g a t i o nh a v e b e e nd e s i g n e da n do p t i m i z e d a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t so fl t b l we x p e r i m e n t sa n ds t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f t - j o i n t i na d d i t i o n ，w eh a v es t u d i e dw i t ht h el t b s w h o r i z o n t a lw e l d i n gi nv e r t i c a l b o a r do nd i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r sw h i c he f f e c tf o r m a t i o no f w e l d ，o b t a i n e dg o o d p a r a m e t e rr a n g e ，a n dl a yt h eg r o u n d w o r kf o rw e l d i n go ft - j o i n t t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ek e yo fl t b s wi st or e a l i z et h el i n k i n gu do ft h em o l t e np o o lo nb o t hs i d e se a c h o t h e ri nt - j o i n t w h e nt h el a s e ra n da r ce n e r g i e so nb o t hs i d e sa r ep r o p e r l ym a t c h e d ， b o t hm o l t e np o o l sc a nb ei n t e g r a t e d ，a n dt h ei n t e r a c t i o no fl a s e r - a r ci s s t r e n g t h e n e d ， s u c ha sm e l t i n gi n t oo r g a n i cw h o l e ，s m a l l e rd i f f e r e n c e so n w e l d i n gw i d t h i nt h i sc a s e ， as t a b l ew e l d i n g p r o c e s sa n dg o o df o r m a t i o n so ft h ew e l d sa r ea c h i e v e d f i n a l l y , t h ee f f e c t so fw e l dp a r a m e t e r sf o r6 0 6 1a l u m i n u ma l l o yo fw - j o i n ta n d f o r m so fw e l dj o i n t so nt h ew e l d i n gs e a l t lh a v eb e e ns t u d i e d t h e n ，m i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw e l dh a v eb e e ns t u d i e da n da n a l y z e da sw e l l t h er e s u l t s s h o wt h a tf i g h tp r o c e s sp a r a m e t e r so fl 1 b s wi nt - j o i n tc a nc o m p l e t e g o o d f o r m a t i o n so fw e l dw h i c hh a ss i m i l a ro r g a n i z a t i o n so nb o t hs i d e sa n dh a sp r o p e r t i e s o fg r a i n - b a s e da n dt r a n s i t i o n a lu n i f o r l t l t e n s i l es t r e n g t hf o rw e l d i n gio i n t sw h i c hh a s b e e nb r o k e ni nt h ep a r e n tm a t e r i a li su pt o 2 4 7 7 m p a b e n d i n ga n g l eh a sr e a c h e d m o r et h a n15 0a n dt h ec r a c k l eh a st a k e nt h ef o r mo fs a wt o o t h t h er e s e a r c hr e s u l t sc a n h e l pt ou n d e r s t a n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nl a s e ra n da r c h y b r i dp r o c e s s i n g ，r e d u c ep o r o s i t yd e f o r m a t i o ni n t _ j o i n t ，a sw e l la si m p r o v et h e s t a b i l i t yo fw e l dp r o c e s sa n de n e r g yu t i l i z a t i o n t h i sr e s e a r c hh e l p st oi m p r o v e w e l d i n gt e c h n o l o g yo ft h eh i g h s t r e n g t ha l u m i n u ma l l o ya n da p p l i c a t i o n si nt h ef i e l d s o f a e r o s p a c e ，f a s tt r a i n s ，s h i p sa n da u t o m o b i l e s ，e t c l l i k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o y so ft - j o i n t ；l a s e r - t i g ；b o t h s i d e ss y n c h r o n i z a t i o n w e l d i n g ；f o r m a t i o no fw e l d ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i v 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：堡! 丝亟日期：2 丝旱! 丛 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：篷，生廷导师签名： 厂 谈。 日期： 第1 章绪论 1 ，1 引言 铝及铝合金的资源丰富。铝是地球上储量最多的金属，其产量仅次于铁而居 于第二位。铝合金具有比强度高、耐腐蚀、导电及导热性能优异、易加工成型、 无磁性、无低温脆变等优点及密度小、延展性能好、容易循环利用等特点，数十 年来得到了快速发展和广泛应用。 在运输制造业中，为了减轻运载工具的自重，提高运载能力，越来越多地采 用轻金属材料。高强铝合金作为一种重要的轻金属材料，以其优蔑的物理、化学 和机械性能，在航空航天、快速列车、高速轮船及汽车等领域得到了广泛应用【l l 。 尤其是近年来，世界性能源问题以及各国对环保和安全性的重视，使得运输制造 业把减轻质量，降低油耗，提高车辆安全性作为提高企业竞争力的关键。其中在 交通运输工具上采用高强铝合金材料代替钢材的应用是重要措施之一。研究表明 捌，采用铝合金材料适当减轻汽车的质量可以降低油耗3 7 ；悬挂装置的负荷降 低1 8 ；振动强度降低5 。j a c k s o n a 指出，大约6 0 的汽车用铝合金都是利用 回收材料制成，并且汽车上的铝合金9 0 都可以回收再利用。美国资深汽车工程 师d a v i ds c h o l e s 预测：未来，轿车上的每一个零件都有可能用铝舍金来生产， l o 1 5 年后会有越来越多的铝合金用于汽车，而且铝合金制品完全可能比塑料 还轻【4 】。随着经济和工业技术的发展，高强铝合金在金属材料中所占比例将大大 增加，比如最先只有发动机的壳体、活塞、气缸、轮毅等部件采用高强铝合金制 造，如今叟迪a 8 轿车车身则全部采用高强铝合金，如图1 1 。铝合金在其他行 业如军工兵器及民用印刷机械、电力与电器设各、离心机等都获得了极其广泛的 应用。用途还会日益扩大。 图1 - 1 奥迪a 8 全铝车身骨架“ f i g l i a u d i a 8 - f u l la l u m i n u mb o d y 减轻运载工具自重，提高运载能力除了大量采用轻金属外，薄肇型轻量化结 构也越来越广受青睐，尤其是在飞机蒙皮、壁板的制造中，蒙皮与哥架组成的t 型连接结构件成为设计的主流。本文研究的高强铝合金t 型接头，可广泛应用于 “空客”飞机、快速列车、高速轮船和现代轻型轿车上，采用焊接的t 型接头结 构取代传统的铆接，大大减轻了其自重。目前a 3 x x 系列飞机的机身蒙皮与筋板 构成的t 型接头均已采用激光焊接技术，如图卜2 所示与铆接工艺相比，在相 同结构刚度时，焊接结构可使机身重量减小约2 嘴。因此高强铝合金t 型接头焊 接技术是航空航天、快速列车、船舶、汽车领域轻型化的重要技术保障。 图卜2 激光焊接应用于空客飞机机身部件 f i g1 - 2 a p p l i c a t i o no f l 越e r w e l d i n g t o a i r b u s 铝合金主要分为两类：铸造铝合金和变形铝合金，作为结构件使用的铝合金 主要为变形铝台金【6 】，本文涉及的高强铝合金均指此类台金。 本章分析总结了铝台金焊接存在的问题及研究现状，结合铝合金t 型接头焊 接特点及国内外研究现状，提出了新的焊接工艺铝舍金t 型接头激光一电弧 两侧同步焊。 12 铝合金t 型接头焊接特点及难点 1 2 1 铝合金焊接特点及方法 由于铝合金具有独特的物理化学性能，在焊接过程中存在着以下特点： ( 1 ) 铝合金的化学活泼性强，表面极易形成氧化膜。焊接过程中氧化膜会 阻碍金属问的良好结合，形成夹渣，还会吸附水分，促使焊缝中形成气孔。因此， 焊前必须严格清理焊接表面的氧化物，并加强对焊接区域的保护。 ( 2 ) 导热率和比热容大。焊接时需要大量的热量被迅速传导到金属内部， 需要消耗更多的热量。因此需要更高的能量密度，焊前常需采取预热等工艺措施。 第1 章绪论 ( 3 ) 热裂纹倾向大。线膨胀系数为铜的2 倍，凝固时体积收缩率达6 5 ， 焊接时往往由于过大的应力而产生热裂纹。生产中常用调整焊丝成分的方法防止 产生热裂纹。 ( 4 ) 铝及铝合金的熔体很容易吸收气体( 氢) ，在焊后冷却凝固过程中来不 及析出便在焊缝中形成气孔，空气中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的 水分也是焊缝中氢的主要来源，因此焊前必须严格清理。 ( 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、锌等) 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 7 。8 j 虽然铝及铝合金在焊接中存在上述困难，但对其焊接性的评价还得具体分 析。实际上，工业纯铝、变形铝合金及一般的铸造铝合金有良好的焊接性，只要 针对上述某些特点采取一定的工艺措施就可以得到良好的焊接接头。目前传统铝 合金焊接常用的焊接方法有氩弧焊( t i g m i g ) 、变极性等离子离焊、电阻焊、钎 焊和气焊等，其中氩弧焊是熔焊中较理想的焊接铝合金方法，因为氩气保护效果 好，交流氩弧具有“阴极破碎”作用，能有效去除氧化膜。然而传统的焊接方法 热源发散，能量密度低，而铝合金导热极强，导致焊接速度小，热输入量大，焊 接性能差，铝合金高的热膨胀系数又使得焊接结构的变形大。近些年来，国内外 学者研究了几种铝合金焊接新工艺，有效地解决了传统方法热变形大，焊接效率 低等缺陷，在航空航天及交通运输等行业得到了一定的应用。+ ( 1 ) 搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊( f s w ) 是由英国焊接研究所( t w i ) 1 9 9 1 年提出的新的固态 塑性连接工艺。其工作原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位，通过 搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦，摩擦产生热使该部位金属处于热塑性状态， 并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使焊件压焊在一起。由 于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化，是一种固态连接过程，故焊接时不存在 熔焊的各种缺陷，可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料，如铝及高强铝 合金。但搅拌摩擦焊接速度低；对焊件夹持要求高；焊接过程需加一定压力：焊 后端头留有空洞一般需补焊或机械切除；搅拌头适应性差，磨损快；目前只限于 结构简单构件，限制了它的广泛应用。 ( 2 )电子束焊 电子束焊是指在真空环境下，利用会聚的高速电子流轰击工件接缝处产生的 热能，使被焊金属熔合的一种焊接方法。电子束作为焊接热源的突出特点是功率 密度高、穿透能力强、精确、快速、可控、保护效果好。对于铝合金电子束焊接， 由于能量密度高可大大减小热影响区，提高焊接接头强度，避免热裂纹等缺陷 的产生。由于能量密度高，穿透能力强可对难以焊接的铝合金厚板进行焊接。但 北京工业大学工学硕l 学位论文 i 对于一些大型结构件如运载火箭贮箱壳体等，如果采用真空电子束焊接工艺，则 需要较大的真空室，其容积可达数百立方米，这种电子束焊接设备造价很高。 ( 3 ) 变极性等离子立焊 该方法采用转移弧和变极性交流进行立焊，变极性的特点与t i g 焊相同，既 降低了钨极烧损，又保证对铝的阴极雾化作用。焊接电流较大，通过小孔作用， 可以焊薄板和厚板( 2 一- - 2 5 m m ) 。由于焊缝中基本没有气孑l ，所以又被誉为无缺陷 焊法。变极性等离子立焊已经成功地运用于航天工业铝合金材料的焊接【9 】。 ( 4 ) 激光焊 铝合金激光焊是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方 法，是近十几年来发展起来的一项新技术，与传统焊接工艺相比，它具有功能强、 可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等 热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点， 特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入， 从而可提高生产效率，改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时，传统的焊接 方法根本不可能单道焊透，而激光深熔焊时形成大深度的匙孔，发生匙孔效应，则 可以得到实现1 1 0 j 。 ( 5 ) 激光一电弧复合焊接 激光一电弧复合焊接工艺最早是上个世纪7 0 年代末由伦敦皇家学院提出， 其采用激光一g t a ( g a st u n g s t e na r c ) 复合焊接方法。这种工艺被认为是综合激光 与电弧的优点，即将激光的高能量密度和电弧的较大加热区组合起来，同时通过 激光与电弧的相互作用来改善激光能量的耦合现象( 焊件表面受能量激发产生的 等离子体吸收光子能量，使到达焊缝的能量减少) 和电弧的稳定性，以获得一种综 合的效果i i l 】；同时电弧对母材进行加热，使母材温度升高，母材对激光的吸收率 提高，焊接熔深增加；采用激光一电弧复合焊接的方法可以进一步扩大焊前工件 间隙的允许度、减少或消除焊接后接口部位的凹陷，改善焊缝形貌，实际上，该 方法是常规的电弧焊与激光联合起来，其出发点是利用电弧焊接的成本低廉、适 应范围宽等特点来避免单独激光焊接存在的缺陷。激光一电弧复合焊可归纳以下 优点：利用激光一电弧相互作用，可用小功率激光器代替大功率降低设备成本： 可增加熔深，改善焊缝成形，减少变形，降低焊接缺陷：可降低激光焊接对端面 接口精度要求。在国际铝合金激光焊接领域，为了改善焊接过程的稳定性和焊缝 成形，已有很多这方面的研究工作和工业探索。目前国内哈尔滨工业大学【1 2 】、清 华大学【1 3 】、大连理工大学 1 3 川1 等机构对该技术进行了机理及应用研究，获得了一 定指导性结论。激光一电弧复合焊主要针对船体甲板、平面分段部分等的焊接， 如平板的对接、筋板的t 型接头连接，通常激光与电弧作用于t 型板一侧，取 得了良好的焊接效果，且焊接速度比单纯的电弧焊有较大提高【1 8 1 ，该项技术己在 发达国家应用于汽车制造和造船工业中，如图1 - 3 所示。 4 图卜3 造船厂撤光m i g 复合焊接船体平板及加强筋 f i g i - 3 i r o m i o h y b 州w e l d i n g f r o m p a n e l sa n ds d f f e n e r s i ns h i p b u i l d i n g 1 2 2 铝合金激光焊接的问题 铝合金激光焊接困难除了高反射、能量利用率低外，同样需解决一般熔焊经 常遇到的气孔、裂纹和接头软化等问题。由于激光焊接能量密度高、焊接速度快 及焊缝深宽比大等，使激光焊接问题又有自身特点，更为复杂，主要表现在： ( 1 ) 气孔与焊接过程的稳定性 气孔是铝合金激光焊接主要缺陷之一。在焊接过程中，有两种常见的气孔形 成方式：一是气体在熔池中溶解而在凝固的过程中未从熔池中逃逸出来所形成的 气孔，这类气孔主要以氢气孔为主【1 卵0 】：二是焊接过程中的不稳定造成焊接熔池 剧烈振荡，容易出现咬边，焊缝成形不连续，严重时造成小孔突然闭合或塌陷而 产生的过程气孔】，其主要是由于深熔小孔中的动力学因素，如果表面张力和熔 池流体静动压力的合力大于蒸汽压力，深熔小孔将不能维持稳定而塌陷，液态金 属来不及填充而造成孔洞形态一般不规则。阻止氢气孔就要彻底限制氢来源， 而减少过程气孔的途径在于改善焊接过程的稳定性并要防止t j , i l 的闭合塌陷。其 方法主要有对材料进行表面处理采用高纯保护气体口“，采用职光束，激光一电弧复 合焊接及填充金属材料等方法。 焊接过程中深熔小孔的诱导和稳定与高强铝合金的特性及激光束的光学特 征有关。由于铝的电离能低，铝合金在激光焊接中极易形成等离子体团，这种等 离子体对激光的吸收和散射作用，从而导致激光能量在穿过等离子体团时能量部 分损失。如果等离子体发生波动，那么到达加工件表面的激光功率密度也在发生 波动。因为实际到达加工件表面的激光功率密度的变化，深熔焊接小孔的几何形 状随之变化，当小孔的形状变化时等离子体的形状也跟着变化，这样等离子体对 激光的吸收和散射程度也在不断变化，表现在焊接过程不稳定。采用混台气体、 优化工艺、双光束、填充焊丝及激光一电弧复合可以改善焊接过程稳定性田】。 北京工业大学工学坝t 学位论文 ii ii ( 2 ) 焊缝裂纹 高强铝合金激光焊接中产生较多裂纹，严重影响着焊接质量。铝合金属于典 型的共晶型合金，熔焊时容易产生热裂纹。由于激光焊接的加热和冷却速度极快， 焊缝深宽比大，焊缝结晶组织的方向性强，铝合金激光焊接较常规熔焊方法具有 更大的裂纹敏感性。研究发现铝合金激光焊接在焊缝金属和近缝区都有可能产生 裂纹，在焊缝金属中可能形成结晶裂纹，在近缝区则可能形成液化裂纹。 ( 3 ) 焊缝机械性能下降 铝合金无论是固溶还是沉淀强化，由于合金元素在激光焊接过程中的大量蒸 发，必然导致焊缝硬度和强度的下降。另外，在焊接熔化过程中，强化组织遭到 完全破坏，而变成铸态组织，这也会使其强度与硬度下降。总之，铝合金焊接焊 缝强度下降难以与母材匹配的不等强是铝合金激光焊接的又一个难题。 1 2 3 铝合金t 型接头激光焊接存在的问题 激光焊接高强铝合金t 型接头既有铝合金激光焊接常见问题，由于自身结构 特点又有一些突出问题，主要表现在变形、气孔、裂纹、焊缝成形差l l j 。在铝合 金t 型接头激光焊接中不采用拘束和接头优化的情况下，底板容易出现两侧向上 翘起，单侧依次顺序双面焊焊接第一道焊缝后，立板容易弯曲及向焊缝倾斜；此 外第一道焊缝的微小缺陷将导致第二道焊缝出现焊接过程不稳定，出现气孔和裂 纹；由于焊接过程中激光束一般与底板有一定的夹角，熔池溶液受力情况和水平 焊接相比更容易形成小孔塌陷闭合，不利于气孔的上浮排除，因此高强铝合金t 型接头激光焊接气孔问题更严重；t 型接头在焊接区域的传导方式是三维的，与 平面相比，冷却速度更快且存在差异，裂纹倾向性更大；受t 型接头及夹具空间 限制，填充焊丝比较困难且不稳定，容易出现咬边、未熔合、未焊透等缺陷t 2 4 1 。 1 3 铝合金t 型接头焊接研究进展 为解决高强铝合金焊接过程中出现的问题，国内外进行了大量的研究并取得 了一定的成果。 1 3 1t 型接头焊接方式的研究进展 y m z h a n g 等 2 5 , 2 6 采用钨极氩弧双面焊( d s a w ) 焊接了6 0 6 1 铝合金，可以提 高焊接过程的稳定性，减少接头变形和气孔等，详细叙述了双面对称焊对消除铝 合金缺陷的影响，但电弧焊接速度不高，热输入量较大。陈彦宾等2 7 1 对铝合金平 板激光一电弧双面焊技术进行研究，该工艺可以增加接头熔深，改善焊缝成型， 显著提高能量利用率，降低气孔率等优点。以上两种方式未见用于t 型接头焊接 6 第1 章绪论 研究。此外国内外研究应用的激光一t i g 复合焊接t 型接头基本上都是作用于一 侧删，对激光- t i g 电弧分别作用于t 型接头两侧同步焊接未见报道，其机理为 两侧对称焊熔池实现相互贯通，不同于激光一电弧复合焊。 13 2 t 型接头焊接应力变形研究进展 焊接应力与变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一，焊接变形的 存在不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能，常见的t 型接头应力变形如图卜4 所示，因此国内外对t 型接头的变形问题非常重视。首 先从t 型接头焊接温度场、应力场的定量分析、预测、模拟等，然后根据t 型 接头温度场，应力变形特点及规律采取合理的夹具设计、接头设计及优化工艺等 几个方面加以解决口9 - 3 3 1 。日本m o h a t a 等人应用有限元分析铝合金薄板角焊缝焊 接变形特点，采用平板背面预热方式减少了焊接变形p 4 l 。t 型接头在合理的拘束 下，通过理论计算与模拟，然后采取预置反变形，研究表明也可以在一定程度上 降低应力变形口”6 1 。通过两柬撇光分别对称作用于t 型接头两侧进行同步施焊， 不仅可以克服另一侧的保护问题，还有效控制了应力变形，提高了焊接效率，英 国的t w i 、美国的e w i 等研究机构利用两台激光器提供双光束，实现了t 型接 头的焊接，并成功用于飞机带筋壁板的焊接，但设备复杂，成本极高限制了其应 用；将一台高功率激光器分成两柬形成的双光束如图卜5 所示，可以克服一些困 难，但受分光镜及空间限制，调焦装配困难对位置精度要求高，所需激光器总 功率在4 0 0 0 w ( c 0 2 l a s e r ) 以上。 圈卜4t 型接头应力变形图卜5 双光束焊接t 型接头实物图 f i 9 1 4s t r e s s d e f o r m a t i o no f r - j o i n tf i g l - 5 t h ep i c t u r eo f d u a lb e a m l a m r w e l d i n g o f r - j o i n t 此外通过接头设计也可适当降低t 型接头的焊接变形。文献【1 1 结合理论计算 与试验研究了底板厚度和在地板上设置凸台对t 型接头焊接变形的影响。试验表 明，t 型接头只要稍微改变一下接头形式就可有效降低焊接结构变形，因而在底 板上设置个小凸台是非常有必要的，从改善焊接过程稳定性出发，设置凸台的宽 度为立板厚度的1 2 倍较为有利。 1 3 3t 型接头填充材料激光焊接研究进展 t 型接头裂纹、气孔和焊缝成形等问题，目前主要是通过填充材料途径解决 的，主要分预置填充材料，填充粉末和填充焊丝。t 型接头焊接填充材料的作用 主要有：可改善焊缝表面成形，防止咬边、填充凹陷使焊缝区域底板与立板间的 连接弧半径增加，降低应力集中，改善接头的力学性能；可通过调节填充材料成 分，改善焊缝冶金性能，愈合热裂纹，同时有利于气孔的上浮；还可以改善激光 能量的耦合，提高利用率；同时可吸收等离子体的能量，利于等离子体的稳定， 可降低对工件装备精度的要求，利于工业化推广。 采用预置填充材料焊接t 型接头，其涂敷工艺复杂，而且在制粉过程中容易 混入氮气，焊缝中难免存在脆化相a i n ，影响接头的质量。填丝焊接是采用送丝 机构将焊丝导入配套的喷嘴，送至熔池的正前方拖动式送丝。文献 3 7 - 3 9 表明通过 填充焊丝，可改善激光能量耦合，提高能量利用率，降低深熔阈值，并且在焊接 过程中吸收等离子体能量，有利于等离子体的稳定和控制。此外填充的焊丝可调 节材料性能，降低裂纹，改善焊缝成形。然而t 型接头的独特结构及激光焊接熔 池小特征，激光填充焊丝焊接t 型接头更加困难。在焊接过程中容易出现顶丝和 粘丝，使焊接过程中断。因此t 型接头焊接质量有赖于焊丝的对位精度和送丝速 度、焊接速度的匹配，送丝过程中任何干扰都会导致焊缝缺陷的产生。可以采用 扩大熔池或采用填充粉末方式加以改进。文献【4 0 j 介绍了高强铝合金t 型接头激 光焊接研究现状，其中提到采用填充粉末技术与填丝技术相比更加柔性化，可避 免填丝技术的一些困难与局限，然而填充粉末焊接最主要的问题依然是小孔塌陷 闭合造成的空洞，气孔率较高，焊接过程稳定性差，影响着t 型接头的焊接质量。 1 3 4t 型接头力学性能研究进展 从对角焊缝t 型接头焊接温度场及应力场分布可以看出此结构的受力方式 非常复杂，用于评价角焊缝t 型接头力学性能的实验方法还很不完善，特别是薄 板t 型接头。目前，角焊缝t 型接头普遍承受以拉力载荷为主的拉伸实验方法 也还没相应标准可查，另外针对激光填丝焊接薄板t 型接头的抗弯曲试验，由于 焊角小且为深熔焊，与标准有很大差异，现行标准是否能真正实反应出薄板t 型接头的弯曲性能，需迸一步研究。因此，有必要建立一种可行的试验方案来评 价该类接头力学性能。文献】设计了一种用于薄板t 型接头力学性能评价方法， 但需预置应力片，测试过程极为复杂，不易快速测出t 型接头力学性能。 如何更有效降低t 型接头焊缝气孔及变形，提高焊接过程的稳定性与焊接质 量，降低成本是高强铝合金产业化应用的关键问题之一。 8 1 4 本课题的主要研究内容 本文针对目前高强铝合金t 型接头焊接存在的焊接变形大、接头强度低、气 孔多、效率低及焊接过程不稳定等诸多问题，结合双电弧与双光束焊接原理，利 用激光与电弧分别作用于高强铝合金t 型接头两侧进行同步焊接，两侧同时加热 冷却不仅有利于减少变形，而且两侧熔池相互贯通，当一侧小孔由于熔池波动瞬 时塌陷时，小孔内金属蒸汽和保护气体可以从另一侧的熔池中溢出，有效降低了 这类气孔的产生。本文对铝合金t 型接头激光电弧两侧同步焊接工艺( l a s e r - t i g b o t h - s i d e ss y n c h r o n i z a t i o nw e l d i n g ，l t b s w ) 及接头显微组织、力学性能进行了研 究分析。研究主要内容如下： ( 1 ) t 型接头激光一电弧两侧同步焊接定位装置的设计及电弧焊枪、工装夹 具的优化，为下一步试验提供所需装置。 ( 2 ) 采用铝合金激光一电弧两侧同步焊接方法进行立板横焊试验，总结出激 光与电弧工艺参数对焊缝成形的影响，得出最佳入射角及焊接过程稳定焊缝质量 好的工艺参数匹配窗口，为焊接t 型接头打下基础。 ( 3 ) 采用激光一电弧两侧同步焊接和激光侧填充焊丝方法，对3 m m 厚6 0 6 1 铝合金t 型接头进行角焊接，并试验分析了不同接头形式对焊缝成形的影响。通 过焊缝的金相分析、拉伸及弯曲力学性能测试、断口扫描电镜分析等手段，对焊 接接头质量进行了综合评定与分析。 这些研究有助于对激光一电弧两侧同步焊接中激光与电弧相互作用及两侧同 步焊接对接头变形、焊缝成形的影响进一步了解。也有助于降低气孔等焊接缺陷， 提高焊接过程稳定性和能量利用率，降低成本。进一步提高我国高强铝合金的焊 接技术在航空航天、快速列车、高速轮船及汽车等行业的应用。 9 第2 章试验材料、设备与方法 2 1 试验材料 第2 章试验材料、设备与方法 本文试验所用的母材为6 0 6 1 - t 6 高强铝合金，材料成分如表1 所示。试板尺 寸为：底板3 0 0 m m x 5 0 m m x 3 0 m m ，立板3 0 0 m m x 5 0 m m 3 0 m m ，其化学成分及 部分物理、力学性能分别示于表2 1 和表2 2 。试验前将试板进行如下处理：1 、 用丙酮清除油污；2 、在6 0 。c ，8 n a o h 溶液浸泡3 分钟；3 、用3 0 h n 0 3 溶 液去黑直至表面恢复金属亮色；4 、用清水冲洗，烘干放入干燥皿中。 表2 16 0 6 1 - t 6 铝舍金的化学成分( w t ) t a b l e2 - 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f6 0 61 一t 6a l u m i n u ma l l o y ( w t ) m a t e r i a l ss if ec um n m g z nc r t i a l 6 0 6 1o 4 o 80 7 0 。1 5 0 。4o 1 50 8 1 20 2 50 。0 4 0 3 5o 1 5b a l 表2 26 0 6 1 - t 6 部分物理及力学性能 t a b l e2 - 2t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f 6 0 6 1 t 6a l u m i n u ma l l o y 材料拉伸强屈服强伸长室温密度熔点 沸点热导率 度( m p a )度( m p a ) 率( ) ( g m 3 ) ( )( )( w r n - 1 k - 1 ) 6 0 6 12 6 02 0 01 02 6 9 86 6 0 42 4 9 42 4 7 为了得到性能良好的焊接接头，考虑焊接构件的使用要求，选择与母材适合 的焊丝作为填充材料。首先要考虑焊缝成分要求，其次是产品的力学性能、耐蚀 性能，结构的刚性及抗裂性等要求。选择的容易形成共晶组织的填充金属，可降 低晶间裂纹倾向，防止焊缝金属裂纹，有利于减少热裂纹。因此本文试验采用焊 丝为直径1 2 m m 的a 1 s i l 2 。 2 2 试验设备及装置 2 2 1c 0 2 激光加工系统 试验所用的c 0 2 激光加工系统由激光器、激光传输系统和五轴联动数控机 床组成。激光器为德国r o f i n s i n a r 公司生产的板条式扩散冷却d c 0 3 5s l a bc 0 2 激光器，如图2 1 所示。工作波长l - - 1 0 6 1 t m ，光束直径p = 1 7 m m ，额定输出功 率p = 3 5 0 0 w ，光束模式为准t e m 0 0 模，激光聚焦特征参数k f - 3 7 m r n m r a d 。 北京i 业大学i 学$ 学位论z 激光束经过整形变为圆对称的光束，由导光系统传输到加工位置，经无氧铜抛物 面反射镜聚焦，聚焦镜焦距f = 3 0 0 m m ，聚焦光斑直径q = 02 6 m m 。运动系统为 a r n o l d 公司的五轴联动数控机床，如图2 j 2 所示。 图2 - 1d c 0 3 5 型s l a b c 0 2 激光器 f i 9 2 1 d c 0 3 5s l a b c 0 2 l 姗u s e d i n 哪 m e “b 图2 之a r n o l d 公司的五轴联动数控机床 f i 9 2 4 c n c 缸r w e l d i n g f r o m a r n o l d 采用德国p r o m e t e c 公司l a s e r s c o p eu f f l 0 0 大功率光束光斑质量诊断仪如 图23 所示，测量了激光器聚伟光束光斑半径和功率密度及分布，得到束腰位置 的功率密度分布如图2 - 4 所示，束腰位置附近的光斑直径与离焦量的关系分别 如图2 - 5 所示。 图23l a s e i l s c o p e u f f l 0 0 光束光斑检测仪 f i 9 2 - 3 l a s e r s c o p e u f f l 0 0 w j 也p e r s o n a lc o m p m e r 阼圆 圆上 ，衄 图24d c 0 3 5 型( 2 0 2 激光器光束横截面能量分布 f i 9 2 4 c r o s s - s e c t i o n a ld i s t r i b u t i o n o f d c 0 3 5 c o z l a s e rp o w e r o ，日i nr r 图2 - 5d c 0 3 5 型c 0 2 激光器聚焦后光斑直径与离焦量的关系 f i 9 2 5 r e l a t i o n s h i p o f t h eb e a md i a m e t e r w i t h t h ed e f o c u s i n gd i s t a n c e 北京t 业大学工学硕十学位论文 曼曼曼! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ih i i i ；liii 曼! 曼! 1 2 2 ，2 交直流t i g 焊机 试验所用的t i g 交流焊接是深圳百胜机电有限公司生产的，w s e m - 2 0 0 逆变方 波交直流脉冲多功能焊机，采用三相半桥逆变电路及进口i g b t 功率器件，其额定 输出电流为k 0 - 、- 2 0 0 a ，具有体积小、重量轻、效率高、动态反应速度快、焊缝 成型美观、电弧稳定、节省电能等优点，焊接性能远优于传统焊机。焊接时采用 方波交流焊接，可控制铝熔深度及去氧化强弱，焊机连接示意图如图2 6 所示。 2 2 3 送丝系统 图2 - 6w s e m 一2 0 0 t i g 交直流流焊机 f i g 2 6a ca n dd ct i gw e l d e ro fw s e m ，2 0 0 按 地 试验所用的送丝系统是由激光工程研究院肖荣诗教授主持研发的s s j 0 1 履 带式铝合金激光焊接专用送丝机，如图2 7 所示。主要由电机、焊丝校直机构、 减速器、平带滚轮及送丝导管组成。其工作原理为电机经减速器带动其中一个主 动旋转轮，通过安装在主动轮和从动轮上的履带夹持( 避免压扁铝合金焊丝) ， 将焊丝从焊丝盘拉出，然后经双向校直旋转轮将其送进导丝管，最后焊丝经导丝 嘴送入焊接熔池中。该送丝系统能保持很长范围内良好的准直性，可实现激光、 焊丝同步控制，大大提高了焊丝送进的稳定性。此外试验还用到与机床成套的 f r o n i u s 送丝机，但由于铝焊丝细软，容易被夹扁，进而导致送丝受阻，送迸过 程不稳定。 1 4 图2 - 8 连接定位装置与工装夹具 f i 9 2 - 8 l o c a t i n ga n dc l a m p i n g 其装置具有四个角度调节、两个长度调节，可在一定范围内任意空间定位，满足 了电弧焊枪的定位需求。该装卡结构紧凑、简单，参数调节方便，定位准确。同 时由于两侧对称同步焊接，对现有的工装夹具进行优化设计，其实物