（机械制造及其自动化专业论文）激光深熔焊接铝合金的模拟与试验研究.pdf

硕士学位论文 摘要 铝合金具有重量轻、耐腐蚀性、导电性及导热性好和在低温下能保持良好的 力学性能等优点，因此铝合金在汽车工业与航空航天工业等领域应用越来越广泛。 由于铝合金的导热系数很大和其它一些物理性质，使得铝合金的焊接性能很差， 用传统的焊接方法( 比如t i g 焊与m i g 焊) 焊铝一般都比较困难并且存在很多焊接 缺陷，如在焊后容易出现裂纹和气孔，同时焊接过程还会造成低熔点合金元素( 如 镁、锌) 的烧损，这些焊接缺陷严重阻碍了铝合金进一步的应用。激光焊接铝合金 正是解决上述问题的有效方法之一。 小孔效应是激光深熔焊接的基础，而在研究小孔效应在焊接中的作用之前， 必须先得到小孔的形状和尺寸。可是在激光焊接金属材料时小孔位于工件的内部， 这使得小孔的形状很难直接观测到。在本文中设计一个在激光焊接铝和g g l 7 玻 璃时，透过g g l 7 玻璃用高速相机拍摄到小孔相片的特殊实验装置，并从这些拍摄 到的相片中得到了小孔的形状和尺寸，这为后续的研究奠定了基础。本文还通过 试验研究表明激光功率和焊接速度对小孔的形状和尺寸都有很大的影响。 根据前面试验得到的小孔尺寸，本文建立了一个激光焊接异种材料热传导方 程的数学模型，并通过有限差分法和编制m a t l a b 程序对数学模型进行求解。通过 数值模拟，得出激光功率和焊接速度对温度场的影响很大，并且由于铝合金与玻 璃的物性参数相差太大，温度场在两块材料中的分布极不对称。 相同的问题出现在激光焊接金属时“匙孔打内的等离子体和熔池内各种元素 烧损的光谱很难被观测到。为了研究低熔点合金元素( 如镁、锌) 烧损对焊接机械 性能的影响，本文通过相同的试验装置，首次透过玻璃来直接观测到了小孔的辐 射光谱。光谱分析的结果表明，高的激光功率和低的焊接速度将会加剧低温合金 元素镁、锌的烧损。这些试验结论将对激光焊接铝合金时选择合适的工艺参数来 减少低温合金元素镁、锌的烧损有一定的实际指导作用。 关键词：小孔；铝合金；激光焊接；光谱分析 a b s t r a c t a l u m i n u ma l l o y sh a v es u c ha d v a n t a g e sa sl i g h tw e i g h t ，s u p e ri n o x i d i z a b i l i t y ， e x c e l l e n t e l e c t r i c a la n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，a n dg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e su n d e r t h el o w t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s 。h e n c e ，a l u m i n u ma l l o y sh a v eb e e nw i d e l yu s e di n a u t o m o b i l ei n d u s t r ya n da e r o s p a c ei n d u s t r y h o w e v e r ，t h ew e l d a b i l i t i e so fa l u m i n u m a l l o y sa r eq u i t ep o o rb e c a u s e o ft h e i rh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t y a n ds o m eo t h e r p h y s i c a lp r o p e r t i e s ，s u c hw e l d d e f e c t sa sp o r o s i t i e sa n db u r n i n gl o s so f s o m ev o l a t i l e e l e m e n t s ( e g 。m ga n dz n ) a r ea p tt ob ep r o d u c e di nt h ew e l d si nt r a d i t i o n a lw e l d i n g p r o c e s s e s ( e g t i ga n dm i g ) ，w h i c hp r e v e n ta l u m i n u ma l l o y sf r o mw i d ea p p l i c a t i o n l a s e rw e l d i n gi so n eo ft h ee f f e c t i v em e t h o d st os o l v et h ea b e v ep r o b l e m s k e y h o l ee f f e c ti st h eb a s eo fd e e pp e n e t r a t i o nl a s e rb e a mw e l d i n g i no r d e rt o s t u d yt h ek e y h o l ee f f e c td u r i n gl a s e rw e l d i n g ，t h es h a p eo f t h ek e y h o l em u s tb ek n o w n f i r s t ，h o w e v e r ，b e c a u s et h ek e y h o l ei sl o c a t e di n s i d et h ew o r k p i e c e ，i ti sd i f f i c u l tt o o b s e r v e d i r e c t l y i nl a s e r w e l d i n go fm e t a l s i n t h i s p a p e r ，t h ek e y h o l e i s e x p e r i m e n t a l l yo b s e r v e db yu s i n gas p e c i a l l y d e s i g n e dc o m p o s i t ew o r k p i e c e ，w h i c hi s c o n s i s t e do ft h ef o l l o w i n gt w op a r t s ：o n ei sm a d ef r o mg g 17g l a s s ，t h eo t h e ro n ei s m a d ef r o ma l u m i n u ma l l o y s f r o mt h et r a n s p a r e n tg g l 7g l a s ss i d e ，t h ek e y h o l ec a n b ed i r e c t l yo b s e r v e dd u r i n gl a s e rw e l d i n go fa l u m i n u ma l l o y s t h ek e y h o l ep i c t u r e s h a v eb e e nt a k e nb yah i g h s p e e dc a m e r a f r o mt h ek e y h o l ep h o t o g r a p h s ，t h es h a p e a n dt h es i z eo fk e y h o le sh a v eb e e nm e a s u r e d ，w h ic hc a nb eu s e df o rf u r t h e r t h e o r e t i c a ls t u d y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tb o t ht h el a s e rp o w e ra n dw e l d i n g v e l o c i t yu s e dh a v eg r e a te f f e c t so i lt h ek e y h o l es i z e sa n dk e y h o l ep r o f i l e s b a s e do nt h ea b o v e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d k e y h o l ep h o t o g r a p h s ，a m a t h e m a t i c a lc o n d u c t i v em o d e lh a sb e e nd e v e l o p e d t h e n ，f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d a n dm a t l a bp r o c e d u r eh a v eb e e nu s e dt os o l v et h ea b o v em a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n dt h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nd u r i n gl a s e rw e l d i n ga l u m i n u ma l l o y sa n dg l a s s h a sb e e n c a l c u l a t e d t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a tb o t ht h el a s e rp o w e ra n d w e l d i n gv e l o c i t yu s e d h a v ep l a y e d g r e a tr o l e s o nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n m o r e o v e r ，d u et ot h eo b v i o u s d i f f e r e n c e so ft h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e n a l u m i n u ma l l o y sa n dg l a s s ，t h et e m p e r a t u r ef i e l dd u r i n gl a s e rw e l d i n go ft h e mi sf a r a w a yf r o mas y m m e t r i c a lo n e ， m s a m ea st h ep r o b l e mo c c u r r e di nd i r e c to b s e r v a t i o no ft h ek e y h o l e ，t h ep l a s m a p l u m ea n dt h eh i g ht e m p e r a t u r ee m i s s i o ni n s i d e t h ek e y h o l ed u r i n gl a s e rw e l d i n g m e t a l sa r ea l s od i f f i c u l tt oo b s e r v ea n dm e a s u r ed i r e c t l y i no r d e rt o s t u d yt h ee f f e c t o ft h e b u r n i n gl o s so fs u c hv o l a t i l ee l e m e n t sa sm a g n e s i u ma n dz i n co nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew e l d s ，t h es p e c t r u me m i t t e df r o mt h e k e y h o l eh a s a n a l y z e db yu s i n gt h es a m ee x p e r i m e n t a ls e t u pa sm e n t i o n e da b o v e t h er e s u l t so f s p e c t r a la n a l y s e ss h o w e dt h a tt h eb u r n i n gl o s so fv o l a t i l ee l e m e n t s d u r i n gl a s e r w e l d i n gi s c l o s e l yr e l a t e dt os u c hp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa sl a s e rp o w e ra n dw e l d i n g v e l o c i t y t h e s er e s u l t sa r ev e r yu s e f u lf o rc h o o s i n gs u i t a b l ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r st o r e d u c et h ea b l a t i o nl o s so f m a g n e s i u ma n dz i n ci np r a c t i c e k e yw o r d s ：k e y h o i e ；a l u m i n u ma l l o y s ；l a s e rw e l d i n g ；s p e c t r a la n a l y s i s 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 名铆杯 日期：触7 年。妇功日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“寸) 作者签名： 导师签名： 日期：砌7 年r 月冶日 日期：多卯7 年j 月西日彳相 琛 卿万 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 铝合金材料的性能与应用 1 1 1 铝及铝合金材料 铝是银白色轻金属( 密度为2 7 2 c m 3 ) 。铝合金具有良好的耐腐蚀性、较高的 比强度、导电性及导热性好和在低温下能保持良好的力学性能等优点。 纯铝的化学性质很活跃，当其与空气接触时，就会在表面生成一层致密的薄 膜彳j 2 q 。这层氧化膜可以防止硝酸及醋酸的腐蚀，但一旦与碱类和含有氯离子 的盐类溶液( 如氯化钠) 接触，这层氧化膜就会被迅速破坏，从而引起纯铝的强烈 腐蚀。纯铝的纯度越高，形成氧化膜的能力越显著，因此在铝合金的焊接之前除 去铝表面的氧化膜对提高焊接质量十分重要。 纯铝的强度较低，为了提高强度，在铝中加入铜、镁、硅、锰、锌等元素， 可获得不同性能的合金。按纯铝中所含f e 、s i 杂质的含量，可将其分为高纯铝和 纯铝；按工艺性能特点，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形 铝合金又可以分为可热处理强化型铝合金和不可热处理强化型铝合金两类。不可 热处理强化铝合金不能通过热处理来提高其机械性能，只能用冷作变形强化和固 溶强化，它主要包括铝镁合金和铝锰合金，这种铝合金的特点是强度中等，塑性 良好，具有满意的焊接性和良好的耐腐蚀性能；熟处理强化铝合金包括硬铝、超 硬铝、锻铝，这些铝合金经固溶、淬火、时效等工艺措施可以提高其力学性能， 尤其是抗拉强度经热处理后显著提高，但焊接性能变差，特别在熔焊时，容易产 生焊接热裂纹，使焊接接头的力学性能明显下降。 1 1 2 铝合金的应用 铝合金在现代工程技术所用的各种材料中占有举足轻重的地位。铝的世界年 产量仅次子钢铁而居第二位，在有色金属中则居第一位。铝及铝合金的资源丰富， 同时具有比强度高、抗腐蚀、耐低温、导热导电性好、易于塑性加工的优点，还 有重量轻，延伸性能好等特点，数十年来得到了非常广泛的应用。甚至铝合金在 许多方面都具有较钢铁材料更为优秀的性能，比如由于能极大地减轻车辆的重量， 因此在运输领域应用非常广泛；由于具有抗腐蚀、耐低温这些性能上的优点从而 受到众多工业制造领域的青睐，被用于制造各种各样化工耐蚀和低温设备，如硝 酸设备、空分设备以及一些有机物设备；随着该材料性能的不断提高及新型的硬 铝、超硬铝的出现，在航空航天、高速列车、高速船舰等领域也得到了越来越广 激光深熔焊接铝合金的模拟与试验研究 泛的应用。如果说铝合金最初是在航空业中崭露头角的话，那么近几十年来，除 航空工业外，在航天、汽车、船舶、桥梁、机械制造、电工、化学工业及低温装 置中已大量应用铝及铝合金，以制造各种部件、油箱、耐蚀容器及导线等。 由于铝是地球上储量最多的金属，成本不高，所以许多产品逐步用铝及铝合 金代替铜或其它材料。今后，铝及铝合金的用途还会日益扩大。 1 2 铝合金的焊接技术和特点 1 2 1 铝合金的焊接方法简介 ( 1 ) 交流t i g 焊( t u n g s t e ni n e r tg a s ) 直流t i g 焊铝及铝合金，不论哪种极性连接，都有问题。但电极性负( e n ) 时， 钨极烧损少，电弧稳定，电弧较集中，故熔深大。但该法不适合焊铝，因为在氩 弧焊时，没有去除氧化膜的作用。反之，当电极性正( e p ) 时，由于工件接负，具 有良好的去除氧化膜的能力，但是钨极烧损严重，于是出现了交流t i g 焊。 由于电流极性周期性的变化，使得钨极烧损减少同时具有良好的阴极清理作 用，所以t i g 焊铝时采用交流法。由于电子技术的进步，交流t i g 焊有了正弦波、 方波和变极性法。近几年出现了交流方波和变极性t i g 焊，这两种方法都比正弦 t i g 焊更稳定，焊接效果更好。其中变极性t i g 悍的敬果类似直渡t ! g 焊( e n ) 法，电弧集中稳定、熔深大，一次可以焊透6 m i l l 厚的铝板，适合于自动焊接长焊 缝。 ( 2 ) m i g 焊( m e t a li n e r tg a s a r ew e l d i n g ) m i g 焊的焊接效果比t i g 高，所以人们往往优先选用m i g 焊。由于m i g 焊 的电流较大，大多使用射流过渡形式，焊缝容易产生较多指状熔深和气孔，所以 在m i g 焊的基础上又演化出了许多新的焊法。如脉冲m i g 焊( p m i g ) 、双脉冲 m i g 焊( d p m i g ) 、交流脉冲m i g 焊( a c p m i g ) 和双丝m i g 焊等。 p m i g 焊的脉冲频率为3 0 3 0 0 h z ，以一个脉冲过渡一个熔滴为特点，焊接过 程稳定，基本无飞溅，烟雾少。焊丝熔化系数大和能够在射流过渡i 临界电流以下 的小电流范围实现焊接，但是焊铝时仍有较多气孔，为此人们希望利用m i g 焊一 个脉冲形成一个熔滴的特点，同时对熔池搅拌，以减少气孔。于是又出现了d p m i g 焊，也就是在高频部分实现对熔滴的控制，从而得到稳定的焊接过程和低气孔率 的熔池控制。 ( 3 ) 变极性等离子立焊 该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，既保 证钨极烧损减少，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 2 5 m m ) 。由于焊缝中基本没有气孔，所以又被誉为无缺陷焊 2 硕士学位论文 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中了。 ( 4 ) 活性t i g 焊( a t i g 焊) 、 a t i g 焊是由乌克兰焊接研究所( p w t ) 在2 0 世纪六十年代开发的，但一直未 得到广泛应用，直到9 0 年代才引起人们的关注，如英国的t w i 、美国的e w i 、 荷兰、日本和我国的焊接学者，纷纷对其开展了研究和应用推广工作。 t i g 焊铝熔深浅和焊接效率低的特点，抑制了该法的应用，为此发展了a t i g 焊，这种焊接方法的特点是在施焊板材的表面涂一层薄薄的活性剂，使焊接电弧 收缩和熔池流动发生变化，从而大幅增加熔深。它的主要特点是操作简单、方便、 成本低，并且熔深增加了2 3 倍。焊接铝常用的活性剂有鲋：，t i 0 2 ，s i 0 2 及 卤化物等。 a t i g 焊增加熔深的机理备受学者们的关注，提出的主要理论有电弧收缩理 论和表面张力理论。尽管学术研究还在进行，可是其生产中的应用却已令人瞩目。 例如，美国在舰船方面已成功用它来焊接船体和管道系统，我国航天部门则用它 来焊接压力容器，日本摩托车公司用它来焊接铝合金部件。随着研究的深入， a t i g 焊将有更广阔的应用前景。 、 ( 5 ) 电子束焊 利用加速和聚焦的电子束焊接焊件接缝处，电子的动能转化为热能，将金属 熔化并形成焊缝，该法称为电子束焊。 电子束焊铝时，在工件厚度方向形成小孔，小孔沿焊缝方向移动时小孔前方 的金属熔化，熔化的金属沿孔壁流向后方时，形成焊缝。电子束焊铝时具有较强 的破坏清除氧化铝的能力，因为当高速的电子轰击金属时会产生集中的能量，从 而形成很高的温度和产生大量的金属蒸汽，金属蒸汽对氧化膜表面的机械作用及 高温气压促使氧化膜分解。 电子束焊接铝合金的特点有： ( a ) 热量集中，焊速快，且焊接线能量低，所以焊接热处理强化型铝合金时， 近焊缝区没有明显的软化现象。 ( b ) 电子束穿透能力强，焊缝窄而深，是t i g 焊的1 4 1 5 ，所以铝合金的横 向收缩变形很小，同时镁、锂和锌等易挥发金属的烧损也少。 ( c ) 由于焊接线能量很低，高强铝合金焊接接头的强度系数达o 7 o 8 ，如果焊 后热处理则接头可以达到同母材等强度。 ( d ) 除仰焊外可以进行各种位置的焊接，主要问题是这种焊法比一般电弧焊法 的气孔率高一些。 ( 6 ) 搅拌摩擦焊( f s w 全称f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ) 搅拌摩擦焊是英国焊接研究所( t w i ) 于1 9 9 1 年发明的用于轻金属板材焊接的 固态连接方法。 3 激光深熔焊接铝合金的模拟与试验研究 搅拌摩擦焊的特点是利用一种非损耗的特殊形状的焊接头，旋转着插入焊接 工件，并沿着被焊零件的待焊界面向前移动，通过搅拌头对材料的搅拌、摩擦， 使待焊材料加热至热塑性状态，在搅拌头高速旋转的带动下，处于塑性状态的材 料环绕搅拌头由前向后转移，同时结合搅拌头对焊缝金属的挤压作用，在热机联 合作用下材料扩散连接形成致密的金属固相连接。 由于搅拌摩擦焊是一种固态焊接过程，故不存在熔焊时的各种焊接缺陷，如 气孔、烟尘、飞溅等，它可以焊接用熔焊难以焊接的材料，如硬铝和超硬铝。焊 后接头的内应力小、变形小，基本上可以实现低应力无变形焊接。搅拌摩擦焊是 一种全机械式的焊接过程，没有电弧焊常有的弧光、辐射、触电和烟尘等危害。 这种方法的不足之处是需要对焊缝施加很强的夹紧力，被焊结构应具有较强 的刚度和被牢牢固定的环境和条件，这一点限制了它的应用。 1 2 2 铝合金的焊接特性 由于铝合金所具有的独特物理化学性能，在焊接时有如下的困难和特点。 ( 1 ) 强的氧化能力 铝和氧的亲和力很大，在空气中极易与氧结合形成致密结实、难熔的氧化膜 ( 即彳厶0 3 薄膜) ，厚度约为0 1 a m ，熔点高达2 0 5 0 c ，远远超过铝合金的熔点。彳如q 的密度( 3 8 52 c m 3 ) 比铝合金r 2 6 2 8g e m s ) 大，在焊接过程中，氧化薄膜会阳碍金 属之间的良好结合，容易形成夹渣。而且氧化膜对水分有很强的吸附力，氧化膜 中所含的结晶水和所吸附的水分在焊接电弧高温作用下分解并可能与金属反应产 生氢，从而在焊缝中形成气孔。因此，为了保证焊接质量，焊前必须严格清理焊 件及焊材表面的氧化物，并防止在焊接过程中再氧化，须对熔化金属和处于高温 下的金属进行有效地保护，这是铝合金焊接的一个重要的特点。 ( 2 ) 较大的热导率和比热容 铝的热导率( 5 6 8w ( m 。c ) ) 和比热容9 6 3 ( d ( k g 。c ) ) 都很大，约比钢大一倍多。 在焊接过程中，大量热能被迅速传导到基体金属内部，因此焊接铝及铝合金时比 焊接钢要消耗更多的热量。为获得优质的焊接接头，必须采用能量集中、功率大 的热源，必要时需采用预热等工艺措施。 ( 3 ) 容易形成热裂纹 铝合金的线胀系数比钢约大一倍，凝固时体积收缩率达到6 5 6 6 ，比钢 约大两倍，因此焊接某些铝合金时，往往由于过大的收缩应力而在脆性温度区间 内产生热裂纹，这是铝合金，尤其是高强铝合金焊接时常见的严重缺陷之一。生 产中常采用调整焊接材料成分的方法来防止裂纹的产生，如用流动性较好的焊丝 s a l s i 1 。另外，可采用有利于防止热裂纹产生的合理的焊接工艺措施。 ( 4 ) 容易形成气孔 4 硕士学位论文 氢是铝合金焊接时产生气孔的主要原因。铝合金在液体熔池的高温下能溶入 大量的氢气，在焊后冷却凝固过程中，氢的溶解度急剧下降，氢气来不及析出而 聚集在焊缝中形成气孔。因为氢在铝中的溶解度受温度的影响很大，在凝固时可 以从0 6 9 m l l o o g 急剧下降到o 0 3 6 m l l o o g ，后者差不多是前者的二十分之一。这 就是氢容易使铝焊缝中产生气孔的重要原因之一。况且铝的热导性好，在同样的 工艺条件下，铝熔池的冷却速度是高强钢的4 7 倍，不利于气泡的浮出，更易于 气孔的形成。 ( 5 ) 焊接接头易发生软化 铝合金的焊缝热影响区，无论是非热处理强化铝合金，还是热处理强化铝合 金，都在不同程度上表现出强化效果的损失及软化。 ( 6 ) 无色泽变化 铝合金从固态变为液态时，没有明显的颜色变化，加上铝在高温下强度和塑 性很低，焊接时容易引起液态金属的塌陷或烧穿，因此在焊接过程中给操作者带 来困难。 ( 7 ) 合金元素的蒸发和烧损 某些铝合金含有低熔点的合金元素如镁、锌等，这些元素在高温下极易挥发、 烧损，从而改变了焊缝金属的化学成分，导致焊接接头的机械性能降低。 虽然铝及铝合金在焊接过程中存在上述问题，但对其焊接性的评价还得做具 体的分析。实际上，工业纯铝、变形铝合金中的防锈铝( 即镁铝合金、铝锰合金) 以及一般的铸造铝合金，其焊接性是良好的，只要针对上述某些焊接特点采取一 定的工艺措施，就能得到性能良好的焊接接头。热处理强化铝合金的焊接性就较 差，特别是在熔焊时，焊接裂纹倾向较大，焊接接头对腐蚀敏感且易发生软化， 所以这种铝合金目前在熔焊结构中应用不广。 1 3 铝合金的激光焊接技术 1 3 1 激光深熔焊接原理 当激光光斑上的功率密度足够大时( 大于1 0 5 形c m 2 ) ，金属在激光的照射下被 迅速加热，其表面温度在极短的时间内升高到沸点，使金属熔化或汽化，产生的 金属蒸汽以一定速度离开熔池，溢出的蒸汽对熔化液态金属产生一个附加压力， 使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个凹坑。当光束在小孔底部继续 加热时，所产生的金属蒸汽一方面压迫坑底的液态金属使d , - 孑l 进一步加深；另一 方面，向坑外飞出的蒸汽将熔化的金属挤向熔池四周，此过程连续进行下去，便 在液态金属中形成一个细长的孔洞。当光束能量所产生的金属蒸汽的反冲压力与 液态金属的表面张力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深度稳定的孔而进行 焊接，因此称之为激光深熔焊。如果激光功率足够大而材料相对较薄，小孔将贯 激光深熔焊接铝合会的模拟与试验研究 穿整个板厚且背面可以接收到部分激光，这种方法也可称之为薄板激光小孔效应 焊，从机理上看，这两种焊接方法的前提都是焊接时存在小孔，两者没有本质的 区别，小孔周围为熔池金属所包围，熔化金属的重力及表面张力有使小孔弥合的 趋势，而连续产生的金属蒸汽则力图维持小孔的存在。随着光束的运动，小孔将 随光束运动但其形状和尺寸却是稳定的。 小孔的前方形成了一个倾斜的烧蚀前沿。在这个区域，小孔的周围存在压力 梯度和温度梯度。在压力梯度的作用下，熔融材料绕小孔的周边由前沿向后沿流 动。温度梯度沿小孔的周边建立了一个前面大后面小的表面张力，这就进一步驱 驶熔融材料绕小孔周边由前沿向后沿流动，最后在小孔后方凝固起来形成焊缝l lj 。 1 3 2 铝合金激光深熔焊接技术及其优越性 1 铝合金由于比强度高、抗腐蚀性好而得以广泛应用。c 0 2 激光焊接铝合金 的困难主要在于铝的反射率高以及导热性好，难以达到汽化温度，难于诱导小孔 的形成( 尤其是对m g 含量比较小时) 以及容易产生气孔。提高吸收率的措施除了 表面化学改性( 如阳极氧化) 、表面镀层、表面涂层等外，也有用激光t i g 、激光 m i g 的报道，其中m i g d ce l e c t r o d ep o s i t i o n 方法由于表面的清理作用强和加丝 的合金化作用效果为好。 最近，比利时的lc r e t t e u r 和法国的s m a r y a 对6 0 6 1 铝合会讲行了混合每和 焊剂的c 0 2 激光焊。在给定的试验条件下表明：7 0 h e 加3 0 a r 、气流方向与焊 接方向相反时效果为好；针对穿透焊接时焊缝背面容易产生下垂的缺陷，采用7 5 l i f 加2 5 l i c l 的焊剂，起到了祛除氧化、改善熔化金属与背面母材的接合，使 背面焊缝具有”上翘”效应，在较宽的参数区间内形成了规整的焊道。对6 0 6 1 铝合 金的焊接表明，焊缝强度可达到母材的9 0 。 2 铝合金的激光焊接及其优越性 近几年，固体激光焊机的功率不断增加，商业用n d y a g 焊机已经达到4 k w 。 功率为2 5 k w 的二氧化碳激光器可以l m m i n 的速度焊2 8 m m 的厚板，1 0 k w 的可 以相同速度焊1 5 m m 板。随着大功率、高性能激光焊机的不断出现，铝合金的激 光焊接技术也得到了很大的发展，成为最有前景的铝合金焊接方法。激光焊接铝 合金具有以下优点。 ( 1 ) 能量密度高，热输入量小，焊接变形小，能得到熔化区和热影响区窄，及 大熔深的焊缝。激光焊接和电子束焊接同属高能密度焊接，功率密度可达 1 0 5 1 0 9 w c m 2 ，焊接速度快，连接效率高，深宽比大。 ( 2 ) 激光焊接属于无接触焊接，不受电磁干扰，可在大气中进行焊接，无污染， 可进行多种易焊材料或难焊材料的焊接，甚至还可以进行不同种材料间的焊接。 激光束的导向和聚焦方便，容易实现计算机自动控制，并容易和其他加工工艺一 6 硕士学位论文 起组成生产线，是现代化大生产中的理想连接方法。尤其引入注意的是，激光焊 接技术的特点决定了它在汽车制造业中具有非常广泛的应用前景。开发高效优质 的焊接技术将进一步促进“拼焊( t a i l o r e db l a n k ) ”制造理念的生产应用，它不但 可以根据结构的需要制造出具有最佳强度组合的构件，而且可以最大限度地减少 边角废料，提高材料的利用率，降低生产成本。 ( 3 ) 冷却速度快，焊缝组织微细，故焊接接头性能良好，高效优质激光焊接技 术和高比强度铝合金的组成，既可以保证构件的强度需要，又可以减轻构件的质 量，能满足汽车等行业日益增长的经济能耗要求。 1 3 3 铝合金激光焊接方法介绍 ( 1 ) 激光一电弧焊 2 0 世纪7 0 年代末，伦敦帝国大学对电弧加强激光焊接进行了研究，并首次 提出了电弧强化激光焊的概念。此后，国内外许多的大学和科研机构对该方法进 行了大量的研究和改进，激光一电弧焊接是利用电弧对工件进行预热，以增强工件 对激光的吸收率，同时电弧被激光吸收，能得到稳定的电弧。 ( a ) 激光- m i g 复合焊 激光一m i g 复合焊接方法中，采用了m i g 焊使熔池宽度增加，所以装备要求 降低，焊缝容易跟踪。m i g 电弧可以解决初始熔化问题，从而可以减少激光器的 功率。日本四国工业技术研究所在对激光- m i g 焊接进行研究时，发现激光束焦 点至熔池的最深处，电弧力将熔化金属排开，形成表面下陷低坑，以获得最大熔 深。近年来，哈尔滨工业大学对激光复合m i g 同轴热源进行了研究，结果表明： 与旁轴热源相比，该热源可以更大程度地降低激光的被削弱程度：还克服了旁轴 热源加热作用非对称、作用点分离以及设备体积过大和要求高等缺陷。兰州理工 大学通过y a g 激光与脉冲m i o 复合焊实验发现，焊缝熔深与激光焊相比增加4 倍，与脉冲m i g 焊接相比增加1 倍以上。焊速显著提高。此外，德国的i s f 焊接 研究所新近成功研制激光一双m i g 复合焊( h t b r i dw e l d i n gw i t hd o u b l ea r e 简称 h y d r a ) 。在零间隙时，h y d r a 的焊接速度与激光加单电弧复合焊相比，能提高 3 3 。 ( b ) 激光- t i g 复合焊 近年来，国内外对激光- t i g 复合焊技术的研究也有突破。天津大学对激光 一t i g 的作用机理进行了研究，认为在高速焊接条件下，激光- t i g 焊可以得到稳 定电弧、增加熔透、改善焊缝成形、获得优质焊接接头。德国jw e n d e l f t o r f 等人 对激光一t i g 弧进行了研究，采用o 1 1 k w 的低功率激光电源并将激光集中于 工件表面的电弧根部，试验证明这样可以最大限度的增加焊接速度与焊接熔深。 ( 2 ) 激光一等离子弧焊 7 激光深熔焊接铝合金的模拟与试验研究 激光一等离子弧焊方法的基本原理与激光- t i g 复合焊接相接近，但在激光一 t i g 焊接时，由于反复采用高频引弧，起弧过程中电弧的稳定性相对较差；电弧 的方向性也不理想；钨极端头处于高温金属蒸汽中，容易受到污染，从而影响电 弧的稳定性。激光与等离子弧复合焊接的提出，成功地解决了以上问题。 英国考文垂大学高级连接技术研究中心对等离子体一激光焊接( p a l w ) 进行 了研究。该实验实现了全熔透，增强了单位面积的热输入，增加了熔深，同时也 提高了焊接速度。等离子弧吸收了激光光子，增强了激光的效率及电弧的稳定性。 另外美国p h i l i pwf u e r s c h b a c h 研究了激光一等离子复合热源的焊接小构件( 厚度 小于1 5 m m ) ，发现在焊接1 2 7 m m 厚的6 0 6 1 铝合金时，将连续等离子弧与脉冲 激光束复合能够消除焊缝区凝固裂纹。铝合金薄板焊接时，在相同熔深条件下， 激光一等离子弧焊接速度是仅采用激光焊接时的2 - - 3 倍。p l a w 焊接方法的优点 就是显著提高了焊接速度和增加了熔深；由于电弧加热，金属温度升高，降低了 金属对激光的反射率，增加了对光能的吸收；在焊接铝合金时不用预先清理。 ( 3 ) 等离子电弧焊 a ) 等离子一m i g 焊 等离子- m i g 焊是2 0 世纪7 0 年代出现的一种复合电弧焊接方法。荷兰飞利 浦公司焊接研究所对等离子弧一m i g 焊进行了研究。近年来研究和应用的主要是 采用同轴式焊枪和两个以上电源分别为等离子弧和m i g 供电的方法。哈尔滨焊接 研究所提出了一种新的焊接方法，即单电源等离子一m i g 焊。单电源等离子一m i g 焊与双电源相比具有设备简单，操作容易等特点。等离子- m i g 焊在选用不同的 焊接工艺参数时，既可以进行深熔焊接、高速薄板的焊接，又可以进行堆焊。 b ) 等离子一t i g 对于某些铝合金材料压力容器和压力管道，要求焊缝内表面不得有余高或者 余高较小，国内外焊接工作者提出了采用等离子- t i g 焊接方法。国内针对绳索取 芯钻杆提出了钻杆外等离子弧焊( p a w ) 和钻杆内钨极氩弧焊( t i g ) 同时进行的 p a w t i g 联焊方法。尽管该工艺适用范围很窄，但其生产效率很高。美国肯塔基 大学在传统双面电弧焊接的基础上进行了下一步研究，采用单电源等离子弧( p a ) 和钨极氩弧( t i g ) 对焊缝正反两面同时施焊。 ( 4 ) 激光一搅拌摩擦焊 2 0 0 2 ，g k o h n 等人对激光辅助搅拌摩擦焊接方法进行了初步研究。该方法中， 激光能的主要作用是对旋转工具前方的工件进行局部预热，从而使工件产生塑化 现象。在国内哈尔滨工业大学现代焊接国家重点实验室对2 0 1 4 ( l d l 0 ) 铝合金焊接 工艺和技术进行的研究，成功实现了8 m i l l 厚2 0 1 4 t 6 铝合金的搅拌摩擦焊接。与 传统熔化焊( 接头强度约为母材5 0 左右) 相比，接头强度大大提高，可达3 6 0 m p a ， 为母材的7 8 。2 0 1 4 t 6 铝合金f s w 接头与其他大部分铝合金及镁合金f s w 接 8 硕士学位论文 头一样，同样由4 部分不同的区域构成：焊核区和轴肩挤压区发生了动态再结晶， 形成了细小的等轴晶组织；由于激光的高温作用使位于旋转工具前方的工件软化， 可以减少夹具对工件的夹持力和焊接变形；此外，由于激光热能的预热作用，在 实现高速焊接的同时还降低了对旋转工具的磨耗。但是热机影响区在搅拌机械挤 压和热循环的双重作用下发生了较大程度的变形；热影响区因受热循环的作用， 组织稍微有粗化现象 1 4 激光加工中常用激光器类型及其特点 ( 1 ) c 0 2 激光器 c 0 2 激光器是激光加工最常用的一种，属于红外不可见光，它的输出波长为 1 0 6 , t i n ，c 0 2 激光器的量子效率高达4 0 ，工业器件总效率为1 0 左右，比其它 加工用激光器的效率高得多。c d 激光在电光转换效率和输出功率等方面具有的 明显优势，使得这种激光得到了迅猛发展。而且c 0 2 激光器以c 0 2 ，h e 等混 合气体为工作物质，其均匀性比m ：y a g 好，故c 识激光器的模式较好，并且稳 定。此外，c 0 2 激光器在高功率时光束质量的稳定性比较好，这使得它在材料的 强化处理中受热部分比较均匀。c d 激光器的缺点是结构复杂、体积大、维修要 一 求较高。 ( 2 ) y a g 激光器 y a g 激光器具有许多不同于二氧化碳激光器的良好性能。它输出的激光也属 于红外不可见光，波长为1 0 6 , u r n ，与激光的耦合效率高，加工性能良好。y a g 激 光能以脉冲和连续两种方式工作，其脉冲输出的性能指标范围大，并可通过调q 和锁模技术获得巨脉冲和超脉冲，使其应用范围比c 0 2 激光更大。它的缺点：一 是运转效率低；二是y a g 激光棒的平均功率和光束质量有待进一步提高：三是 y a g 激光器每瓦输出功率的成本费用比6 0 2 激光器高。 ( 3 ) 准分子激光器 准分子激光器是近年来出现的新型激光器之一，其工业应用尚在不断开发和 研究中。准分子激光为紫外短脉冲激光，波长范围为1 9 3 - - - 3 5 l n m ，约是y a g 激 光波长的五分之一和，激光的五十分之一，其单光子能量高达7 9 电子伏特， 比大部分分子的化学键能都高，可直接深入材料分子内进行加工，其加工机理不 同于y a g 激光和c 0 2 激光。后两者的红外能量是以热传递的方式耦合进材料的， 而准分子激光则是利用光化学作用进行加工的，属于“冷加工 ，因此可以排除热 的影响，并且加工质量高。另外准分子短波长易于聚焦，有良好的分辨率，可进 行精密加工，且多数材料对紫外波段的吸收率特别高，能有效的利用激光能量。 激光深熔焊接铝合金的模拟与试验研究 1 5 本论文的课题来源和研究内容及意义 1 5 1 本论文的课题来源和研究内容 1 课题来源 本论文的课题来源是湖南省优秀博士论文项目和湖南省中青年骨干教师项 目。 2 研究的主要内容 ( 1 ) 激光深熔焊接铝合金时小孔的直接观测 小孔的形成是激光深融焊接的基础和前提，国内外也做过很多这方面的研究。 但是，对于大多数材料而言，要直接观察到小孔的形状是很困难的。本论文将用 铝合金和g g l 7 玻璃组成的复合试件，采用高速摄影的方法，从透明的玻璃部分直 接观测小孔的形状。 ( 2 ) 激光深熔焊接铝合金温度场的模拟计算 由于激光焊接是一个快速而不均匀的热循环过程，焊缝附近出现很大的温度 梯度，因此在焊后的结构中也会出现不同程度的残余应力和变形，这些都是影响 焊接质量的重要因素。准确认识焊接热过程，对焊接结构力学分析、显微组织分 析以及最终的焊接质量的控制都具有重要意义，因此对温度场的研究就显得尤为 重要。 ( 3 ) 激光深熔焊接铝合金时小孔内低温合金元素烧损时的光谱分析 在激光焊接时我们知道孔内的温度很高，在这种环境下低温合金元素( 主要是 镁和锌) 很容易烧损和蒸发，这时透过玻璃观测孔内镁和锌的谱线就可了解它们烧 损的情况。 ( 4 ) 激光深融焊接铝合金的工艺试验研究 铝合金良好的导热性，对激光束的极高初始反射率及焊接过程中产生的等离 子体对激光束的屏蔽作用，使得工件吸收光束能量困难，焊接过程不稳定，同时 还易产生裂纹、气孔等缺陷。对此我们要选择合理的焊接工艺参数来得到好的焊 接质量。 ( a ) 激光功率。因为激光功率是决定焊缝熔深的主要因素，激光功率密度必须 大于阀值功率才能形成d , - 孑l 效应从而实现深熔焊，本论文将研究激光功率与小孔 形状的关系。还将研究激光功率对合金元素的烧损情况的关系。 ( b ) 焊接速度。在其它的参数不变的情况下，熔深和小孔孔径随焊速的增加而 减少，因此焊速过快会使熔深达不到要求无