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激光深熔焊接铝合金焊缝成分及性能研究 摘要 本文针对铝合金激光焊接的主要问题，用c 0 2 激光器和光纤激光器对5 0 5 2 铝合金 进行了焊接工艺实验，测试了两种激光器实现深熔焊接的阈值功率，研究了激光功率、 焊接速度、保护气体流量以及离焦量等焊接工艺参数对焊缝成形的影响。 论文首先分析了镁元素在铝合金中的作用及其在焊接过程中的烧损对焊缝机械力 学性能的影响。激光焊接过程中，高能量密度的激光束照射到工件表面，被照射材料表 面金属熔化、汽化进而电离形成等离子体。5 0 5 2 铝合金中含有低沸点的镁元素，由于 m g 的沸点( 1 3 8 0 k ) 比铝的沸点( 2 7 2 3 k ) 低很多，并且m g 的沸点仅仅比铝的熔点( 9 3 3 k ) 高4 4 7 k ，所以在焊接过程中部分镁元素以金属蒸汽的形式从熔池中溢出，镁元素是铝 合金中的主要强化元素，镁元素的烧损会造成焊接接头的力学性能降低。 其次，为了研究光纤激光焊接5 0 5 2 铝合金镁元素的烧损，用光谱分析技术对等离 子体进行在线监测，采用特殊设计的实验装置采集了激光深熔焊接5 0 5 2 铝合金过程中 孔内等离子体的光谱信号。研究了焊接工艺参数对m gi 光谱强度的影响，并在一定的 焊接工艺参数下，采集了小孔径向和深度方向的等离子体信号。实验发现激光焊接工艺 参数对工件表面的镁元素等离子体信号强度的影响很大，小孔中各位置的光谱强度是变 化的，m gi 的强度在小孔的径向方向逐渐减小，而在小孔的深度方向先增加后减小。 接着，用电子探针显微分析仪测试了焊缝径向和深度方向的镁元素含量，用显微硬 度计测试了焊缝径向方向的硬度，用万能试验机对焊接试件的抗拉强度进行测试。在不 同激光功率下，得到焊接试件焊缝中镁元素的平均含量，焊缝平均显微硬度以及试件的 抗拉强度。 最后，分析了光纤激光焊接5 0 5 2 铝合金母材、热影响区以及熔合区的金相组织； 用m gi 光谱强度和测试了的焊缝中的镁元素含量进行对比，通过它们的对比，分析激 光深熔焊接5 0 5 2 铝合金时镁元素的烧损规律。得到了镁元素烧损率与显微硬度损失率 以及抗拉强度损失率的关系。 关键词：激光焊接；铝合金；镁元素烧损；子l 内等离子体；光谱信号；成分测试；显微 硬度；抗拉强度 硕二学位论文 a b s t r a c t a g a i n s tt h em i a np r o b l e m se x i s t i n gi nl a s e rw e l d i n go fa l u m i n i u ma l l o y s ，i nt h i sp a p e r , w e l d i n ge x p e r i m e n to fa l u m i n u ma l l o y5 0 5 2i sc a r r i e do u tb yc 0 2l a s e ra n df i b e rl a s e r t h e p e n e t r a t i o nw e l d i n gt h r e s h o l do fa l u m i n u ma l l o y5 0 5 2i st e s t e d i ti sm a i n l yc o n c e r n e da b o u t t h ei n f l u e n c eo fl a s e rp o w e r , w e l d i n gs p e e d i n g ，s h i e l d i n gg a sf l o wr a t ea n df o c u s i n gd i s t a n c e o nw e l d i n gs e a mf o r m i n g f i r s t l y ，t h et h er o l eo fm a g n e s i u me l e m e n ti nt h ea l u m i n u ma l l o y sa n dt h ei n f l u e n c eo f i t sb u r m i n gl o s so nt h et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew e l dj o i n ta r ea n a l y s e di nt h i sp a p e r i nd e e pp e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n g 1 a s e rb e a mw i t hh i g hp o w e r i n t e n s i t yf o c u s e so n t ot h ew o r k p i e c es u r f a c e ；t h ei l l u m i n a t e dm a t e r i a li sm e l ta n dv a p o r i z e d d u et ot h ee x c i t a t i o na n d i o n i z a t i o no fm e t a lv a p o r ，l a s e r - i n d u c e dp l a s m af o r m si nt h ek e y h o l ea n da b o v et h ew o r k p i e c es u r f a c e i na l u m i n u ma l l o y5 0 5 2 t h e r ea r es o m ea l l o y i n ge l e m e n t sw i t hl o wb o i l i n g p o i n ts u c ha sm a g n e s i u m d u et ot h ef a c tt h a tt h eb o i l i n gp o i n to fm a g n e s i u m ( 13 8 0 k ) i sn o t o n l ym u c hl o w e rt h a nt h a to fa l u m i n u m ( 2 7 2 3 k ) ，b u ta l s oo n l y4 4 7 kh i g h e rt h a nt h em e l t i n g p o i n to fa l u m i n u m ( 9 3 3 k ) ，ap a r to fm a g n e s i u me l e m e n te s c a p e sf r o mm e l tp o o ld u r i n gl a s e r w e l d i n g m a g n e s i u me l e m e n ti s am a j o rs t r e n g t h e n i n ge l e m e n ti na l u m i n u ma l l o y s ，t h e v a p o r i z a t i o nl o s so fm a g n e s i u mr e s u l t si nr e d u c i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw e l d i n g j o i n t s e c o n d l y ，i no r d e rt os t u d yt h eb u r i n gl o s so fm a g n e s i u me l e m e n ti nf i b e rl a s e rw e l d i n g o fa l u m i n u ma l l o y5 0 5 2 ，s p e c t r a la n a l y s i st e c h n o l o g yi su s e dt om o n i t o rt h ek e y h o l ep l a s m a as p e c i a l l y - d e s i g n e dd e v i c ei sf i r s tu s e dt oc o l l e c tt h es p e c t r a ls i g n a l se m i t t e df r o mt h e k e y h o l ep l a s m a t h e n ，t h ei n f l u e n c eo fw e l d i n gp a r a m e t e r so nt h em g i s p e c t r a li n t e n s i t yi s s t u d i e d ，a n dt h em gis p e c t r a li n t e n s i t yi nt h er a d i a la n dd e p t hd i r e c t i o no fk e y h o l ei s c o l l e c t e d i nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，t h ew e l d i n gp a r a m e t e r sh a v eab i ge f f e c to nt h e s p e c t r a li n t e n s i t yo fm a g n e s i u me l e m e n tp l a s m a i nt h er a d i a ld i r e c t i o n ，t h es p e c t r a li n t e n s i t y o fm gid e c r e a s e sf r o mt h ec e n t e rt ot h ee d g eo ft h ek e y h o l e ；i nt h ed e p t hd i r e c t i o n ，f r o mt h e t o pt ot h eb o t t o mo ft h ek e y h o l e ，t h es p e c t r a li n t e n s i t yo fm gii n c r e a s e sf i r s ta n dt h e n d e c r e a s e s t h i r d l y ，m a g n e s i u me l e m e n tc o n t e n tt e s ti nt h er a d i a la n dd e p t hd i r e c t i o no fw e l ds e a m i sc o n d u c t e db ya ne l e c t r o np r o b em i c r oa n a l y z e r m i c r o h a r d n e s si nt h er a d i a ld i r e c t i o no f w e l dz o n ei st e s t e db y4 0 2 m v av i c k e r sh a r d n e s st e s tm a c h i n e t e n s i l es t r e n g t ho ft h ew e l d j i o n ti st e s tb yu n i v e r s a lt e s tm a c h i n e o nt h eb a s i so ft h e s et e s t s ，t h ea v e r a g em gc o n t e n t ， 1 i i 激光深熔焊接铝合金焊缝成分及性能研究 a v e r a g em i c r o h a r d n e s si nw e l dz o n ea n dt h ea v e r a g et e n s i l es t r e n g t ho fw e l dj o i n ta td i f f e r e n t l a s e rp o w e ra r eo b t a i n e di nt h i sp a p e r f i n a l l y ，t h em i c r o s t r u c t u r e si nt h eb a s em a t e r i a l ，h e a ta f f e c t e dz o n ea n df u s i o nz o n ea r e a n a l y z e d c o m p a r e dt h ea b o v e - o b s e r v e dm gis p e c t r a li n t e n s i t yw i t ht h ea b o v e d e t e c t e dm g c o n t e n t ，t h em e c h a n i s mo fb u m i n gl o s so fm a g n e s i u me l e m e n ti nl a s e rw e l d i n go fa l u m i n u m a l l o y5 0 5 2i s d i s c u s s e d t h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h em a g n e s i u me l e m e n tl o s sr a t e ，t h e m i c r o h a r d n e s s1 0 s sr a t ea n dt h et e n s i l es t r e n g t hl o s sr a t ei se s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：l a s e rw e l d i n g ；a l u m i n u ma l l o y ；m a g n e s i u me l e m e n tl o s s ；k e y h o l ep l a s m a ； s p e c t r a ls i g n a l s ；c o m p o s i t i o nt e s t ；m i c r o h a r d n e s s ；t e n s i l es t r e n g t h 插图索引 图1 1 焊接气孔6 图1 2 焊接裂纹6 图2 1d c 0 2 5 型板条式c 0 2 激光器及其工作原理图1 3 图2 2y l r 4 0 0 0 c w a 型光纤激光器1 4 图2 3s e s a m o 型三维激光切割机床一1 4 图2 4i r b2 4 0 0 机器人1 5 图2 5 熔宽和熔深与离焦量变化的关系1 8 图2 6 辅助气体流量对5 0 5 2 铝合金焊缝表面形貌的影响2 0 图2 7c 0 2 激光焊接铝合金功率和速度的匹配区间2 2 图2 8 光纤激光焊接铝合金功率和速度的匹配区间2 2 图2 9c 0 2 激光焊接焊缝宽度与焊接速度的关系2 3 图2 1 0 光纤激光焊接功率与熔宽的关系2 4 图3 1 光谱产生原理图2 6 图3 2 孔内等离子体光谱信号观测实验方案图2 8 图3 3 光纤布置示意图2 8 图3 4 光谱仪与c c d 2 9 图3 5 数控2 d 控制平台2 9 图3 6 光谱等离子体光谱照片3l 图3 7 深熔焊接的i j , 孑l 照片3 2 图3 8 光纤激光焊接5 0 5 2 铝合金的等离子体特征谱线3 2 图3 9 不同离焦量下测得的光谱数据( 表面第6 点) 3 3 图3 1 0 光谱强度与离焦量的关系3 4 图3 1 l 不同气流量下的光谱数据3 5 图3 1 2 光谱强度与气流量的关系3 6 图3 13 不同焊接速度下的光谱数据3 7 图3 1 4 光谱强度和焊接速度的关系3 7 图3 1 5 不同激光功率下的光谱强度3 9 图3 1 6 光谱强度和激光功率的关系3 9 图3 1 7 光谱信号采集位置示意图3 9 图3 1 8 小孔径向不同位置的光谱数据4 l 图3 1 9m gi 光谱强度在径向上的变化一4 1 缺士学位论文 图3 2 0 深度方向不同位置的光谱数据4 2 图3 2 1m gi 光谱强度在深度方向上的变化4 3 图4 1j x a 8 2 3 0 电子探针显微分析仪4 4 图4 2 线扫描位置示意图4 6 图4 3 镁元素在径向上的分布4 7 图4 4 焊缝镁元素平均值4 8 图4 5 焊缝区平均m g 元素与激光功率的关系4 9 图4 6 镁元素在深度方向的分布4 9 图4 7 深度方向镁元素平均值4 9 图4 8 镁元素损失率与功率的关系5 l 图4 94 0 2 m v a 显微硬度计5 2 图4 1 0 显微硬度测试试件5 2 图4 1 l 显微硬度测试位置5 3 图4 1 2 显微硬度在径向方向上的分布5 4 图4 1 3 显微硬度损失率与功率的关系5 5 图4 1 4w d w - - e 2 0 0 万能实验机5 5 图4 15 拉伸实验试件尺寸5 5 图4 1 6 母材断裂宏观图片5 6 图4 1 7 焊接接头断裂宏观照片5 6 图4 1 8 应力应变曲5 6 图4 1 9 抗拉强度损失率与功率的关系5 7 图4 2 05 0 5 2 铝合金焊缝金相照片5 7 图4 2 l 光谱强度和m g 元素含量在深度方向的变化5 8 图4 2 2 光谱强度和m g 成分在深度方向的变化5 9 图4 2 3 激光束在d , - 孑l 内部的传播6 0 图4 2 4 显微硬度损失率、抗拉强度损失率与镁元素损失率的关系6 1 i x 附表索引 表1 1 铝合金与钢在与焊接性有关的物理性能方面的差别5 表1 2 铝和镁的物理特性9 表2 1d c 0 2 5 型板条式c 0 2 激光器主要技术参数1 3 表2 2y l r 一4 0 0 0 c w a 激光器主要技术参数1 4 表2 3s e s a m o 型三维激光切割机床技术参数1 4 表2 4i r b 2 4 0 0 1 6 六轴机器人参数1 5 表2 55 0 5 2 铝合金的化学成分( 谢) 1 5 表2 65 0 5 2 铝合金的机械性能1 5 表2 7c 0 2 激光焊接正交表2 1 表3 1s p e c t r a p r o - - 2 3 5 6 光谱仪主要技术指标2 9 表3 2p i x i s ：4 0 0 f 主要技术指标2 9 表3 3 实验参数表3 0 表4 1 实验试件工艺参数4 5 表4 2 径向方向不同位置处的镁元素平均值4 9 表4 34 0 2 m v a 显微硬度计主要技术参数5 l 表4 4 径向方向不同位置处的显微硬度值5 4 表4 5 拉伸试验数据5 6 表4 6 镁含量对a l m g 合金性能的影响6 0 表4 7 镁元素平均烧损率、显微硬度损失率与抗拉强度损失率6 1 x 硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 地球上含有大量的铝资源，以重量百分比计算，铝元素占整个地壳总重量的8 1 ， 含量在氧、硅之后，明显超过铁的5 o 。合理高效的利用铝资源会对人类社会发展产 生重大的影响。上世纪初，一些冶金科学家发现，很多合金的强度通常要比制造这些合 金的纯金属的强度要高很多。1 9 0 6 年，德国化学家a w i l m 首先研制成功了一种含铜、 镁和锰的铝基合金，它的强度比纯铝的高很多，他通过试验发现铝合金淬火后的自然时 效现象，同时发现了合金的最佳成分，并获得了专利权，称为“杜拉铝”。由于它的强 度和强度比一般的铝合金高很多，后来把它称之为“硬铝”h - 3 i 。 上个世纪电力工业的快速发展，使大规模生产铝及铝合金已成为可能，再加上铝合 金物理以及化学性能的独特优点，2 0 世纪初国外的工业领域便开始使用铝合金。1 9 1 9 年铝合金开始应用于j u n k e rf 13 机身结构上【4 】。在二战期间，铝材主要用于军用飞机的 制造。二战之后，由于军事工业对铝材的需求量逐渐减少，铝工业界开始发展民用铝合 金，使其应用范围扩展到建筑业、交通运输业、容器包装业、机械制造业、电力和电子 工业、石油化工业等国民经济部门以及人民日常生活之中。 铝合金具有密度低、比强度高、比刚度高以及良好的断裂韧性和低的裂纹扩展率， 使其在汽车、船舶、坦克制造、压力容器以及航空航天领域有着越来越广泛的应用1 5 j 。 下面主要介绍铝合金在航空航天、汽车制造、船舶制造三个领域中的应用。 从1 9 1 7 年2 0 1 7 硬铝合金研制成功开始，铝合金在飞机制造中的使用逐渐增多，这 使飞机结构和性能发生巨大的变化。一战时，军用飞机的飞行速度为1 0 0 2 0 0 k m h ，二 战时达到6 0 0 7 0 0 k m h ，飞行高度达6 0 0 0 m ，8 0 年代军用飞机速度达3 5 0 0 k m h ，飞行 高度已达2 5 0 0 0 m 1 6 1 。由于铝合金的使用，飞机的体积不断增大，而飞行速度和高度却 不断提高。新型飞机设计的主要思想是减少能耗，提高飞行速度和高度，增加载重量， 以提高战术性能及经济效益，因此在结构上尽可能的减轻机身质量是当代飞机发展的主 题，这要求在不同时期在制造飞机时在选材上选用代表当时最高比强度和比刚度的材 料。当下有中强度性能的2 0 0 0 系列，以及超高强度性能的7 0 0 0 系列铝合金在飞机用铝 中占很大的比重。随着航天工业的发展，各种新型的航天专用铝合金必将出现。 汽车全铝化已经成为新世纪世界性的课题。铝合金是汽车轻量化的理想材料，铝合 金结构的汽车也是环保节能以及高效运输的重要途径。1 9 9 7 年美国铝业协会的报告称， 如果美国汽车公司制造的小轿车的零部件，凡是可用铝合金制造的都用其替代，那么每 辆车的平均用铝将达到4 5 4 k g ，这样汽车的重量可下降约2 5 。每年生产的这些汽车在 规定的使用期限能节省2 1 8 亿升汽油，c 0 2 气体排放量可减少6 5 千万吨。目前在汽车 制造中使用铝合金量最多的国家是德国、日本、美国，如德国大众a u d i a 2 、a 8 ，日本 的n x s 等汽车车身用铝合金量达到8 0 。除了小轿车使用铝合金比重较大外，食品车、 罐车、及一些货车甚至可采用全铝结构i 7 j 。 铝合金作为结构材料在造船业中的应用有百多年的历史。随着冷战的结束，大型军 用舰艇的需求开始减小，能满足不同作战要求的中小舰艇的需求却越来越大。其中全铝 结构的多体战舰凭借其快速、轻型化的优势得到各国海军的青睐。在民航领域，普通客 船已经不能满足乘客快速到达的要求；海难事故频繁发生也要求救援船能快速地到达出 事地点，对遇险人员实施救助。另外，随着旅游业的不断发展，豪华游艇和高速旅游船 的需求也越来越多，这就要求在造船业中使用新型材料来满足以上需求。铝合金结构的 船只具有快速、灵活、机动等特点，这必然引起造船企业的重视。铝合金具有比重小、 无磁性、耐海水腐蚀性好、低温性能好等优点，用它作船体材料时可有效的减轻船舶重 量，同时降低能耗，提高航速和稳定性，最终增强舰船的战术性能。目前，在日本建造 铝合金船只的企业有百多家，日本的铝合金船总数量已经超过2 5 0 0 艘。在美国采用了 铝合金制造的舰船有2 0 0 0 多艘；北欧、澳大利亚、法国等西方国家制造的铝合金游艇、 科学考察船有1 0 0 0 多艘【l 引。近年来，我国也开始在造船业中使用铝合金：1 9 8 0 在广西 梧州建成了首艘全焊铝制船“龙门号”，1 9 9 4 年制造了第一艘全铝结构的双体船【l 引。 1 2 铝合金的焊接 焊接是将两种或两种以上同种或异种材料通过原子或分子之间的结合和扩散 而连接成一体的技术，它是一种机械制造领域常用的连接方法。铝合金在工业领域的 应用如此普及，所以铝合金焊接是焊接工作者和科研工作者的热门话题。现有的研究主 要集中在：( 一) 研究新型的焊接方法；( 二) 开发各种铝合金焊接新工艺，它主要是用 来解决铝合金焊接的难点：如何提高焊接时铝合金对能量的吸收率、怎样减少焊接缺陷、 怎样提高铝合金焊接接头力学性能等。 目前国外对铝合金焊接工艺研究比较成熟，在焊接方法的多样性方面也取得了一定 成果，这为铝合金的焊接提供有力的技术支持。 铝合金焊接常用的方法是氩弧焊，包括钨极氩弧焊( t i g ) 、熔化极氩弧焊( m i g ) 和脉 冲氩弧焊等。其中钨极氩弧焊是铝合金焊接较成熟的方法，它经历了直流正接、直流 反接、交流焊、脉冲焊、变极性焊的发展历程。t i g 焊不需要使用焊条或者溶剂以及焊 剂，焊接后不需要清除表面上的残余溶剂或焊渣；当气流量较小时，钨极电弧比较稳定 1 4 1 ，热输入易调整。但是t i g 易产生未焊透、有应力集中以及易发生疲劳断裂现象，这 坝士学位论文 制约了t i g 焊的应用，当前t i g 焊主要用于焊接铝合金薄板。 m i g 也是焊接铝合金的主要方法，特别是在汽车制造中。m i g 焊用于骨架之间的 组装和外板、车顶、侧墙、地板等部件。由m i g 焊开发的焊接新工艺有：等离子m i g 焊接、大电流m i g 焊接、细丝m i g 焊接及脉冲m i g 焊接【1 5 - 1 6 1 。m i g 焊接具有效率高、 适合全位置焊接等优点，但也存在如焊接飞溅大、焊缝成形性能欠佳、焊接工艺差、焊 丝的熔敷率低等缺点。 随着科学技术的发展，各种新型的铝合金焊接方法逐渐诞生。1 9 6 1 年法国原子能委 员会首次提出了电子束焊接方法，随着计算机技术的发展，电子束焊接方法日新月异， 自动化程度也越来越高。电子束焊接具有焊接速度快、热影响区小、电子穿透能力强、 焊缝深宽比大等优点，使其适合于铝合金焊接。 用电子束来焊接铝合金也有一些不利的因素，作为一种高能束焊接，电子束焊接时 功率密度大，被焊的金属表面温度非常高，焊接时合金元素存在蒸发烧损现象，会降低 焊接接头的力学性能，这制约了电子束焊接方法在铝合金上的应用。 激光焊接也是一种新型的焊接方法，在日本、美国、德国、英国等发达国家，铝合 金的激光焊接发展很快。同电子束焊接一样，激光焊接铝合金亦存在因合金元素的蒸发 而导致的焊接接头软化问题，但是，激光焊接还是有很多优点，这使激光焊接铝合金成 为未来的主要发展方向之一1 1 7 j 。 1 9 9 1 年英国焊接研究所( t w i ) 提出了一种新型焊接技术一搅拌摩擦焊( f s w ) ，这个 方法很快得到工程应用，是焊接史上从发明到工业应用跨度时间最短的一项连接技术， 被誉为焊接史上的第二次革命【l8 1 。摩擦搅拌焊接是一种固相的连接方法，在焊接铝合金 时不会产生与熔化焊接相类似的缺陷，并且焊接区金属的晶粒组织比母材的更为细小， 没有金属蒸汽产生后的合金元素损失，从而不改变合金的成分【l 引，一般也不会降低接头 的力学性能【2 0 。2 2 】。国内外关于铝合金的摩擦搅拌焊的研究论文越来越多。 此外，还有激光一电弧复合焊接技术。由于母材对激光的高反射率现象，激光单独 焊接铝合金时，对激光功率密度要求较大。激光与电弧复合使用情况下，可使激光束照 射在电弧的熔池中，由于电弧能量的输入以及电弧所起的辅助作用，铝合金表面对激光 的反射率大为减小，吸收率也提高很多，这可大大降低对激光器的输出功率的要求。激 光一电弧复合焊接技术的优势多、潜力大，将成为未来铝合金焊接的一种趋势。 1 3 激光焊接技术 上世纪六十年代t h m a i m a n 发明第一台红宝石激光器，此后陆续出现各种高功率、 高光束质量的激光器，如c 0 2 激光器、固体激光器及半导体激光器。激光焊接技术是在 这些激光器的发展历程中逐渐发展起来的。 与传统的焊接方法相比激光焊接有以下优点：( 1 ) 功率密度高，热输入低，焊接变形 小，熔化区和热影响区窄、深宽比大，因此很适合于精密焊接；( 2 ) 冷却速度快，能得到 较微细的焊缝组织，接头性能也较好；( 3 ) 与接触焊相比，激光焊不要电极，一般情况下 也不用填充材料，焊接区污染小；( 4 ) 可在大气中焊接，不用电子束焊接时的真空环境， 同时被焊工件的形状不受磁场的影响，不产生x 射线，因此比电子束焊接有更大的优越 性；( 5 ) 可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接；( 6 ) 激光可用光纤传输，易实现焊接 过程的自动化1 2 引。 激光焊接有热传导型焊接和深熔焊接两种模式。热传导焊接时，激光的功率密度范 围在1 0 4 1 0 6 w c m 2 ，激光能量只能被工件的表层吸收，激光能量通过热传导方式向工件 内部传输，这个过程中没有非线性效应以及小孔效应【2 4 1 。激光深熔焊接的功率密度往往 达到1 0 6 1 0 7 w c m 2 ，在这么大的能量密度下，工件材料局部熔化、汽化，工件在汽化膨 胀压力的作用下在内部形成小孔，小孔内的金属蒸汽在高能量的激光照射下产生电离而 形成一定浓度的等离子体。小孔和等离子体形成之后，激光能量主要依靠d ：f l 效应被工 件内部材料吸收。小孔和等离子体的形成改变了激光与材料相互作用的机理。激光深熔 焊接是一个复杂的力n - r _ 过程，它的影响因素多、涉及范围广，具体来说，包括材料对激 光的吸收、材料的固态加热、材料的熔化和汽化、小孔和等离子体的形成及其在激光能 量耦合和传输过程中的作用、材料的热物理参数变化、d , - 孑l 内金属蒸汽和熔池内液态金 属的流动、小孔的稳定性等诸多方面。所以激光深熔焊接涉及到激光物理学、光学、等 离子体物理学、流体力学、传热学、材料力学、气体力学、计算机科学和数学等众多学 科和领域1 2 5 l 。 传统的铝合金焊接方法( 如熔化极氩弧焊) 所面临的主要问题是：工件在较大的热 输入下变形严重，接头强度降低。其中工件的变形需要在后面的矫正工作中浪费大量的 时间，这影响了生产效率，增加了制造成本。激光焊接铝合金是近十几年来才发展起来 的一项新技术。前面已经提到，激光焊接在焊接速度、精度、可靠性、焊接质量、以及 实现自动化方面与传统的焊接技术相比都有无可比拟的优势。但是激光焊接铝合金还是 有许多问题需要解决，与激光焊接铁等黑色金属相比，激光焊接铝合金的工艺难度大， 工件对激光能量的吸收颇为困难，主要表面在铝合金表面对光束的反射以及孑l # i - 等离子 体的屏蔽效应。 1 4 铝合金激光焊接的难点 铝合金有以下的固有特性： 1 热传导率高；铝的热传导系数为1 4 3 w m 。k ，钢的热传导系数为1 4 w m 。1 k 。1 前者 比后者大一个数量级。 2 表面对激光束的反射大。 3 凝固收缩率高：约为铁基材料的两倍。 4 坝士学位论文 4 比热大：大约为0 8 8 。 5 热膨胀系数大。 6 表面张力小。 7 表面有一层难熔的氧化膜。 8 液态情况下吸氢能力强。 9 凝固温度范围宽。 1 0 有低沸点的合金元素。 表1 1 铝合金与钢在与焊接性有关的物理性能方面的差别 铝合金的物理和化学性能与钢相比有很大的差易，表1 1 列出它们的热物理性能差 别。 由于铝合金的独特的腾点，焊接铝合金时对材料表面状态的要求很高，对激光器的 输出功率要求更大，同时各激光工艺参数的匹配区间也较窄，并且容易产生以下问题。 1 铝合金与激光的耦合机制差。 2 铝合金焊接易产生气孔、热裂纹、夹渣以及焊缝不规则等缺吲2 鼬7 1 。 3 铝合金焊接易产生焊接变形。 4 焊接过程稳定性差。 5 接头软化严重，力学性能低。 1 4 1 铝合金焊接吸收率问题 材料对激光的吸收率由以下公式决定： s a ( 丁) = 0 3 6 5 , o 1 + ( r 一2 0 ) 】五) “2 式中p 为铝合金的直流电阻率( 2 0 。c ) ，为温度吸收系数，t 为温度，兄为激光束的 波长。 从上式可知吸收率是温度的函数，当材料一旦熔化汽化之后，表面对激光的吸收率 增加，可达9 0 以上，反射率也大大降低口8 1 。改变材料表面的状态可以提高铝合金对激 光的吸收率，主要方法有表面黑化( 涂石墨) 、阳极氧化处理等。许国良等【2 9 1 发现a 6 0 6 3 铝合金表面形成氧化膜时对激光的吸收率要比光洁的a 6 0 6 3 铝合金对激光的吸收率高。 另外一个提高吸收率的办法是减小激光光斑直径，它主要是通过影响激光的功率 密度来实现提高吸收率的。由于光斑尺寸d = p0 ，式中f 为透镜焦距，0 为光束发散角， 所以选择短焦距的透镜和低阶模输出能减小光斑直径，从而提高吸收率。 此外，还有一些办法能提高铝合金对光的吸收率，主要有：铝合金表面制孔、开v 形坡口、表面用物理或化学方法处理、采用光收集器形式接头等。 1 4 2 焊接气孔 图1 1 是c 0 2 激光焊接5 0 5 2 铝合金的焊缝金相照片，从图中可看到两个较大的气 孔以及一些小气孔。 图1 1 焊接气孔 图1 2 焊接裂纹 气孔的形成原因至今尚不完全清楚，主要存在以下三种观点。 1 焊接冷却过程中氢的溶解度下降形成氢气孔【3 0 】。 2 焊接时熔池金属波动，小孔不稳定，熔池金属紊流形成气孔【3 1 1 。 3 低熔点合金元素的蒸发而形成气孔【3 2 】。 熔化时铝合金内部的含氢量可达到0 6 9 m l 1 0 0 9 ，而当其凝固后，平衡状态下的溶 氢能力只有o 0 3 6 m l l o o g ，两者相差近2 0 倍1 3 3 】，因此铝合金由液态到固态的转变过程 中，合金内部的氢必须要析出，如果多余的氢不能顺利溢出，就会以气泡的形式残留在 铝合金中而形成气孔。保持铝合金表面干燥、采用氩气、氦气等惰性气体保护熔池等措 6 坝士学位论文 施可以减小氢的来源，从而有效的减少气孔的产生。 日本大阪大学焊接研究所a m a t - s l l i l n a 、v a 【3 4 】等人用细焦x 射线成像装置观测了铝合 金焊接过程中小孔的二维形貌。发现在焊接金属时小孔形状是变化的，小孔后沿熔体有 向前倒塌的现象，在金属内部形成封闭的小孔，激光能量并不是均匀的作用在匙孔上， 而是集中作用在匙孔前壁的某一位置，造成局部材料的熔化和汽化。当激光集中加热位 置在匙孔前壁上部的时侯，由于匙孔上部的直径较大，金属蒸汽和等离子体容易喷发出 去。当激光加热位置移动到匙孔底部时，底部的直径比较小，金属蒸汽和等离子体不容 易喷发出去，这时激光能量的聚焦效应，匙孔根部的汽化膨胀比较激烈。膨胀对匙孔后 壁相应位置产生巨大的冲击，使小孔后壁向熔池内部凹陷，在重力和表面张力的作用下 熔池内的液体金属产生塌陷，匙孔根部局部失稳。这时匙孔底部的金属蒸汽、保护气体、 以及少量侵入匙孔的空气卷入熔池而形成气泡。由于激光焊接速度较快，气泡来不及逸 出熔池就被迅速冷却的金属包围，最终在焊缝中形成气孔。 m k i r am a t s u n a w a 等【3 5 】用高速扫描摄像机观察了n d ：y a g 激光点焊时小孔与等离子 的行为，发现在脉冲消失的瞬间，匙孔下塌、保护气体和金属蒸汽留在匙孔底部，这些 气体和金属蒸汽留在焊缝中形成气孔。 文献【3 6 】研究表明，激光焊接铝合金时，焊缝中小气孔的产生与氢在熔池中析出有关， 这类气孔主要是焊接因素造成的，称为冶金类气孔。有学者发现一些小气孔可能聚集或 合并成大气孔，而大气孔产生与激光焊接模式有关，称为工艺类气孔。 汞水利等【”1 用y a g 激光焊接5 0 8 3 铝合金，认为冶金类气孔的形成与氢气在熔池中 的析出、聚集和合并有关，工艺类气孔产生的原因是焊接过程中匙孔的失稳。采用双光 点能量分布的激光束焊接铝合金能够扩大匙孔张口以及根部直径，可改善匙孔壁的波动 状态，能增强小孔的稳定性，最后可减小工艺类气孔。 文献 3 2 】对a 3 0 0 3 ，a 6 0 6 1 ，a 6 n 0 1 ，a 5 0 5 2 ，a 5 0 8 3 和a 5 18 2 铝合金进行c 0 2 激光焊 接，发现气体的成分为9 0 的氢气和1 0 的氮气，它也把焊缝中气孔分为微气孔和大气 孔两种形式，认为微气孔的产生与高温时氢气的熔入有关，大气孔的产生与镁的蒸发损 失有关。 1 4 3 焊接热裂纹 图1 2 是光纤激光5 0 5 2 铝合金的焊缝的金相照片，从图中可看到焊缝区明显的焊接 裂纹。 铝合金是典型的共晶合金，激光焊接是一个快速凝固的加工方法，在快速凝固的情 况下铝合金很容易产生热裂纹。焊缝中柱状晶边界形成的a 1 s i 或m g s i 、a 1 m 9 2 s i 等 低熔点共晶是产生热裂纹的主要原因。 目前关于热裂纹的形成机理比较完善的是普洛霍洛夫理论【3 8 】，一般认为，焊接热裂 纹的形成是力学因素和冶金因素共同作用的结果【3 9 1 ，因此可以从力学和冶金角度去控制 热裂纹的产生。 在冶金角度，采用填合适的焊丝能改善焊缝中合金成分和结晶组织，可以减少热裂 纹的产生。h i r t oy a m a k a 等用填丝和不填丝方法焊接了a 6 0 6 3 铝合金，发现填丝时焊缝 的裂纹敏感性比不填丝时低4 0 1 ，文献h 1 】中用填含高硅的焊丝的方法能减少热裂纹的长 度，作者认为a l 与s i 形成了熔点较低的a 1 s i 或a 1 s i c u 共晶体，这些共晶体能减少 裂纹的产生。除了填丝焊接外，在脉冲点焊时，用调节脉冲的波形和控制热输入的办法 也可以减少结晶裂纹。还有学者1 4 2 】向焊缝中添加其他合金元素来降低裂纹敏感性，也取 得一定的效果，但往往会使结晶裂纹转化为更难以去除的液化裂纹。另外有学者用高频 磁控振荡电弧焊接方法来减小裂纹敏感性，得到了较好的效果1 4 3 硝】，采用此方法能细化晶 粒，并让焊缝结晶方向发生改变，由向焊缝中心生长的对生柱状晶变为周期性交错的柱 状晶，阻止了热裂纹的产生和长大。 在力学角度，主要是采取适当的措施使焊缝或热影响区的金属承受外加的压缩应 变，通过外加压缩应变来抵消凝固收缩和热收缩以及外部应力所造成的致裂拉伸应变。 力学角度减小裂纹倾向性的方法有：随焊局部加热法、随焊碾压法、随焊局部冷却法、 锤击法等等，国内外这些方面的报道也较多【4 5 却j 。 1 5 国内外的研究现状 1 5 1 合金元素的烧损及对力学性能的影响研究 国内外对合金元素的蒸发烧损主要有理论计算和实验研究两个方面。 在理论计算方面，a b l o c k b o l t e n 4 8 】等研究了电子束焊接铝合金和不锈钢时合金元 素的蒸发烧损情况，并将铝合金中合金元素烧损进行分类：7 0 0 0 系列以z n 烧损为主； 5 0 0 0 系列以m g 烧损为主；2 0 0 0 系和6 0 0 0 系列中，z n 和m g 同时存在蒸发损失；而 1 0 0 0 系列蒸发蒸汽主要为a 1 。k h a n 4 9 】针对激光焊接a 1 s 1 2 0 2 不锈钢，发现等离子体中 的主要元素是铁、锰和铬，并计算了元素的蒸发烧损情况，其计算结果与用电子探针检 测焊缝得到的结果一致。m c o l l u r 等【5 0 j 分析了激光焊接不锈钢过程中的元素烧损的机理 并建立了烧损模型，同时还得出蒸发率与激光功率的关系。k