铝合金激光填丝和电弧复合焊接技术研究

论文摘要

铝合金密度低,耐腐蚀性能好,抗疲劳性能高,以及具有较高的比强度和比刚度,是飞机结构的理想材料。激光焊接具有能量密度高、焊接变形小、生产效率高等优点,利用激光填丝焊和复合焊接技术可以降低对接装配精度、改善焊缝冶金特性、提高接头机械性能等。本文针对1.2mm厚5A06铝合金和3mm厚5A90铝锂合金激光填丝焊以及3mm厚5A90铝锂合金激光电弧复合焊接技术展开研究,为航空用铝合金的推广应用提供数据参考。激光填丝焊接时,通过焊接工艺参数（送丝速度、激光功率、焊接速度和送丝几何位置）的优化控制焊缝背宽比（焊缝的背面宽度与表面宽度之比）,从而控制焊缝的成形质量。当其它优化工艺参数固定时,光丝间距必须严格控制在+0.2～+1.5mm范围,而激光复合焊由于引入电弧,两热源产生“协同效应”,对光丝间距的要求可以放宽在0～6mm范围内。优化的复合焊接工艺可以增加焊缝熔宽和熔深,但是在其它参数一定时,只有当焊接电流超过一定阈值,复合焊的优势才能充分体现。在激光填丝焊和复合焊接主要工艺参数中,优化送丝速度的选择也与输入功率有关,且母材板厚较小有利于填丝焊优化送丝速度的提高及其范围的扩大。激光填丝焊和复合焊均能有效改善激光焊接的间隙适应性,其最大间隙容许裕度均可达0.9mm以上,是激光焊的4～6倍。铝合金的主要焊接缺陷是成形不良和气孔,母材板厚较大时,焊缝中气孔数量增多且尺寸增大趋势加剧,但通过严格的焊前表面处理,并实现全熔透焊接均能获得成形较好且基本无气孔的焊缝。另外,利用高速摄像监测激光填丝焊接过程中的熔滴过渡方式,发现光丝间距+1mm时的表面张力过渡比光丝间距+0.3mm时的颗粒过渡稳定性更高;而复合焊时呈现一脉一滴的射滴过渡方式,焊接过程也相对平稳。在激光填丝焊和复合焊接过程中热源和物质的相互作用呈现周期性变化。激光填丝焊可以提高材料对激光的吸收率,增加焊缝熔宽,提高接头的拉伸性能,如与激光焊接头相比,5A06铝合金激光填丝焊接头抗拉强度提高10%左右。激光填丝焊和复合焊均有利于铝锂合金焊缝硬度的均匀化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 铝合金的特点及分类
• 1.1.2 铝锂合金的特点及应用
• 1.1.3 铝合金的焊接性
• 1.2 激光填丝焊接研究现状
• 1.2.1 激光填丝焊缝成形研究
• 1.2.2 激光填丝焊接组织性能研究
• 1.3 激光复合焊接研究现状
• 1.3.1 复合焊的发展历程及复合形式
• 1.3.2 激光电弧复合焊接国内外研究
• 1.4 研究内容及技术路线
• 第2章 试验设备、材料及方法
• 2.1 试验设备及过程保护
• 2.1.1 试验设备
• 2.1.2 焊接过程保护
• 2.2 试验材料及焊前处理
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 焊前处理
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 工艺试验
• 2.3.2 X 射线探伤
• 2.3.3 光学显微镜组织观察
• 2.3.4 显微硬度测量
• 2.3.5 拉伸试验
• 2.3.6 断口及气孔分析
• 2.3.7 成分分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 铝合金激光填丝焊缝成形机理研究
• 3.1 焊接工艺参数对焊缝成形的影响
• 3.1.1 送丝速度对焊缝成形的影响
• 3.1.2 激光功率和焊接速度的匹配
• 3.1.3 送丝几何位置对焊缝成形的影响
• 3.2 焊缝成形的质量控制
• 3.2.1 激光焊与填丝焊成形对比分析
• 3.2.2 填丝焊成形缺陷分析
• 3.2.3 气孔形成机理分析
• 3.3 激光填丝焊接过程稳定性分析
• 3.3.1 熔滴过渡特征分析
• 3.3.2 焊丝、激光和母材的相互作用机理初步分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 铝合金激光填丝焊接头组织性能
• 4.1 激光填丝焊接头组织成分分析
• 4.2 激光填丝焊接头性能分析
• 4.2.1 显微硬度测试
• 4.2.2 拉伸性能及断口分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 铝锂合金激光填丝和复合焊缝成形机理研究
• 5.1 焊接工艺参数对铝锂合金激光填丝焊缝成形的影响
• 5.1.1 送丝速度对焊缝成形的影响
• 5.1.2 激光功率和焊接速度对焊缝成形的影响
• 5.2 焊接工艺参数对铝锂合金激光复合焊缝成形的影响
• 5.2.1 送丝方式对复合焊缝成形的影响
• 5.2.2 焊接电流对复合焊缝成形的影响
• 5.2.3 激光功率对复合焊焊缝成形的影响
• 5.2.4 焊接速度对复合焊焊缝成形的影响
• 5.2.5 光丝间距对复合焊缝成形的影响
• 5.3 激光填丝焊和复合焊的间隙适应性
• 5.4 焊缝成形的质量控制
• 5.4.1 铝锂合金焊缝成形分析
• 5.4.2 铝锂合金气孔形成机理分析
• 5.5 复合焊接过程熔滴过程特征初步分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 铝锂合金激光填丝和复合焊接头组织性能
• 6.1 铝锂合金焊接头组织特性分析
• 6.2 铝锂合金接头成分分析
• 6.3 铝锂合金接头显微硬度测试
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢