铝合金激光焊接工艺与接头性能研究

论文摘要

激光-作为一种高能量密度的热源,具有独特的优势:焊接速度快、焊接变形小、熔宽和热影响区窄;但由于铝合金熔点低,对激光的反射率高,导致激光焊接接头易于出现焊缝表面下榻、裂纹、气孔等缺陷。作为一种先进的焊接新工艺,YAG激光-MIG电弧复合焊对ZL114A铝合金具有良好的适应性:焊接铝合金可以在较低的激光功率下进行;电弧的加入减少或削弱了单独激光焊接产生等离子体的不利作用;YAG-MIG复合焊接技术既充分发挥了两种热源的长处,又相互弥补各自的不足,是一种优质高效的焊接技术。本文基于铝合金ZL114A开展激光电弧复合焊方法及相关基础理论的研究,重点在焊接工艺探索与优化的基础上研究双热源作用下焊接接头的组织特征、成分分布和力学性能,探讨双热源作用下接头组织、成分与力学性能的关系机理。通过金相分析技术、ESEM/FSEM/SEM技术,拉伸试验和硬度测试详细分析了接头的宏观形貌、微观组织、成分分布、微区元素含量、断口形貌、拉伸强度和显微硬度等;试验表明,由于激光电弧的互补作用,选择适当的焊接工艺参数,可以得到优质的焊接接头,接头强度可达到母材的80%左右,且接头的性能与工艺参数的匹配有关;焊核区硬度最低,分布对称且均匀,离开焊缝中心,硬度逐渐增加,到达过渡区硬度再一次减小,之后又逐渐增大达到基材的硬度;焊核区金相组织以等轴晶为主,熔合区附近的焊缝组织存在大量沿散热方向生长的柱状晶,熔合区和热影响区组织粗大。接头拉伸断口分析表明:断面未发生明显的塑性流动,呈现出铸态断口特征,断裂位置主要是组织粗大的熔合区和热影响区,对应于显微硬度分布中的软化区以及成份分布图中元素含量波动最大的区域。本文还探讨了激光功率、送丝速度、焊接速度、MIG线能量与焊缝形貌和组织性能之间的关系,研究表明:在一定的焊接工艺条件下,激光功率主要影响焊缝熔深,MIG线能量主要影响熔宽,所以在双道焊接的过程中打底焊时,采用高能量密度激光（功率4.0kw）为主要热源,而采用较低的电弧线能量为辅的方式,保证3mm的钝边完全熔透,尽量得到较大熔深,而第二道焊缝,由于U形坡口口宽的特征,采用较高的电弧能量和较低的激光功率（2.0kw）的热源组合,最后得到成形良好的焊缝也证实了这种热源组合的合理性。此外论文还针对铝镁合金5A06开展了激光填丝焊接的工艺探索,重点对其焊接接头的显微组织,成分分布进行了分析;结果表明:显微组织晶粒细小,主要组成为α（Al）固溶体+β相（Al3Mg2）在α（Al）基体上弥散析出;接头纵向和横向成分分布均匀,不存在元素的偏析,母材的稀释现象也不明显,选用5356焊丝非常合理。最后论文还对德国8kw激光器焊接的11.5mm和12mm的ZL114A试样进行了宏观形貌分析及显微组织分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铝合金及铝合金的焊接
• 1.3 铝合金的激光焊接
• 1.4 MIG 焊接的发展及特点
• 1.5 激光复合焊接技术及其应用于铝合金的发展现状
• 1.6 课题研究的工作内容与意义
• 1.7 本章小结
• 2 ZL114A 厚板焊接工艺与接头宏观分析
• 2.1 实验设备
• 2.2 实验材料
• 2.3 试验方案
• 2.4 试样制备
• 2.5 坡口设计
• 2.6 焊前清理
• 2.7 工艺参数与宏观形貌
• 2.8 单工艺因素参数与焊缝形貌的关系
• 2.9 4047 双道焊接、单道焊以及4043 焊丝接头宏观分析
• 2.10 ZL114A 光纤激光焊接
• 2.11 本章小结
• 3 ZL114A 接头显微组织分析
• 3.1 焊接冶金原理
• 3.2 4047 焊丝多道焊接接头显微组织
• 3.3 4047 焊丝单道焊接接头显微组织
• 3.4 结晶组织的形成及性能
• 3.5 4043 焊丝单道焊接接头显微组织
• 3.6 本章小结
• 4 ZL114A 接头EDAX 能谱分析
• 4.1 焊缝中的偏析
• 4.2 线分析
• 4.3 点分析
• 4.4 本章小结
• 5 ZL114A 焊接接头的力学性能
• 5.1 显微硬度
• 5.2 拉伸试验及断口分析
• 6 5A06 铝合金激光焊接
• 6.1 试验材料
• 6.2 工艺参数与宏观形貌
• 6.3 金相分析
• 6.4 成分分析
• 6.5 本章小结
• 7 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 其他试样的显微组织
• 附录2 其他试样能谱分析结果