光纤激光MIG复合焊接中厚板铝合金工艺研究优秀毕业论文.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 光纤激光-mig复合焊接中厚板铝合金工艺研究 姓名：胡佩佩 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：王春明 2011-01-15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 中厚板铝合金在兵器、 船舶、 汽车和高速列车等行业获得广泛的应用， 激光-mig 复合焊接技术是解决其焊接制造的有效手段之一，当前的激光器应用状况表明，光 纤激光将成为下一代激光加工技术的首选激光器。本文采用最新的高功率光纤激光 与电弧复合，系统研究 zl114 铝合金的焊接工艺、组织成分和接头性能。 采用电弧在前（al）的复合焊接方向和绝对值较大的负离焦量，可以充分发挥 光纤激光-mig 复合焊接的穿透能力。与激光在前（ll）相比，al 时的激光作用点 的熔池凹陷相对更大，且作用点处的电弧熔化液态金属深度也相对更大，所以 al 的熔深大于 ll；作用点的不同，使 al 比 ll 更适宜采用绝对值较大的负离焦量来 实现更大的焊接熔深。穿透焊接时，过大电弧电流和激光功率都会增加焊缝熔塌倾 向，但激光功率对熔塌倾向的影响比电弧电流更明显，同时，过大的激光功率还会 引起焊缝的剧烈烧损。 al-si 焊丝比 al-mg 和 al-mn 焊丝的接头组织更细密，且无明显缺陷。与 al-si 焊丝相比，al-mg 焊丝复合焊接头组织较为粗大，al-mn 焊丝复合焊接接头组织不 仅粗大，还出现较多不规则的气孔，有夹杂现象。三种焊丝的接头组织未发生本质 变化，但 al-mg 焊丝接头共晶区域出现较多的针状孔，局部出现明显的烧损；al-mn 焊丝接头共晶组织数量明显少于 al-si 焊丝。 采用 al-si 焊丝的焊缝强度和延伸率都优于 al-mg 和 al-mn 焊丝。采用 al-si 焊丝的焊缝如果成形良好且无明显组织缺陷，拉伸断裂发生在母材。断口分析表明， 外加应力在焊缝中主要由铝硅共晶承载，在母材中主要由铝固溶体承载，而铝固溶 体的强度高于铝硅共晶，所以在相同的外加应力条件下，焊缝强度高于母材。焊缝 表面的黑色氧化膜和焊缝内部尺寸较小的冶金气孔并不影响焊缝拉伸力学性能；在 一定范围内，接头横截面面积越大，接头强度越高。 通过最终的工艺优化，成功实现了 8mm zl114 铝合金不开坡口条件下的单道焊 接，所得焊缝成形良好、内部气孔缺陷能够满足某航天工业的使用要求，最终接头 强度高于母材，研究表明了光纤激光-mig 复合焊接在中厚板铝合金焊接上可行性和 良好的适用性。 关键词：关键词：光纤激光 激光-mig 复合焊接 中厚板 铝合金 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract medium thickness aluminum plate were widely used in weapon, ship, car and high speed train industries and laser-mig hybrid welding technology was one of the most efficient techniques in medium thickness aluminum manufacture. fiber laser was a potential dominator in laser application market. accordingly, high power fiber laser-mig hybrid welding technique was employed to systematically research the process, microstructure and weld properties of aluminum alloy zl114. the potential penetration ability of laser-mig hybrid welding technology could be better exploited by using arc leading welding direction (al) and larger absolute value of defocused length. on the contrary of laser leading direction (ll), when al was employed, laser will shoot at a deeper position located in the concave weld pool and penetrate through deeper length of liquid metal made by the arc. as a result of different laser shooting position, al was more suitable than ll in acquiring deeper penetration with larger absolute value of defocused length. excessive arc current or laser power will deteriorate the weld collapse tendency while the former one do more and the latter one will lead to additional serious evaporation. fine grain and defects free weld could be gained by using al-si wire rather than al-mg or al-mn wire. grain was rougher for al-mg wire in compared with al-si wire while rougher grain and much more irregular pores or inclusions for al-mn wire. there was no essential difference in microstructure among the very three kind wires while quantities of needle-like pores in eutectic area and some evident burning for al-mg wire, less eutectic for al-mn wire than al-si wire. stronger tensile strength and better elongation could be obtained by using al-si wire rather than al-mg or al-mn wire. tensile fracture will occur in base material for al-si wire with defects free and perfect weld shape, which was owing to different stress bearing microstructure, that is, al-si eutectic for weld but solid solution for base material while the former one is stronger than the latter one in the same stress condition. either the black oxide film on weld or small metallurgical pores in weld wont deteriorate the weld tensile strength. larger cross section area, stronger welds tensile strength in certain range. 8mm aluminum alloy zl114 was successfully jointed in optimized process by one scan without groove. good weld shape and inside defects condition met some aerospace industry requirement. the joint strength was stronger than base material. the achievements confirmed excellent feasibility and adaptability of fiber laser-mig hybrid welding medium thickness aluminum. keywords: fiber laser laser-mig hybrid welding medium thickness plate aluminum alloy 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书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，即：学校有权 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。 本人授权华中科技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。 保密 ，在_ _年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 引言引言 铝是地壳中最丰富的金属，它占整个地壳总质量的 7.45，仅次于氧和硅，位居 金属元素的第一位，是居第二位的铁含量的 1.5 倍，是铜的近 4 倍。在金属品种中， 仅次于钢铁，为第二大类金属1。 铝合金以其良好的物理、 化学和机械性能， 在国防和经济建设的许多重要领域被 广泛应用。作为一种重要的轻金属结构材料，除航空航天工业之外，高强铝合金也 越来越多地应用于高速列车、轻型汽车等，以满足交通运输工具不断增长的结构轻 型化要求2。近年来，随着节能减排的兴起，汽车轻量化得到越来越多的关注。采用 铝合金代替钢板材料焊接，可大幅度减轻结构重量，使得铝及铝合金成为极具竞争 力的节能减排材料。 在汽车白车身制造方面，欧美国家，全铝质车身生产也已经进入实质的生产阶 段。audi a8车身空间框架由于大量使用铝质结构件，使整车重量减少了40%。单车 用铝量达到385kg，包括125kg的板材，70 kg型材，150 kg铸材和40 kg的其他形式的 铝合金材料，如图1.1所示。ford aiv使用冲压铝制车身结构，与传统钢制结构相比， 铝制车架结构减轻145kg，车身覆盖件减轻53kg。整车用铝量达到270 kg，整车可以 因此减重320 kg，如图1.2所示。honda nsx 也采用了210kg重的冲压铝合金车身结 构和覆盖件，包括100 kg的框架结构和130kg的其他功率部件和驱动部件。此外，还 有不少其他公司也制造了铝制结构的原型车或概念车。如chrysler和reynolds金属公 司制造的铝制neon lite比传统neon减轻270kg。 renault和lotus也设计制造的新spider 也比原钢制车减轻自重30-50%。其他的例子如jaguar xj 220，gm-ev1等等45,46。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 图1.1 audi a8铝型材空间框架结构图45 图1.2 ford aiv 板材壳体车身构造46 图1.3 audi a2l 的全铝车身结构46 虽然铝合金在汽车工业等行业的应用潜力巨大， 但应用比例与钢材相比还存在较 大差距，大部分汽车企业也还是在小范围尝试使用，其中一个重要原因就是铝合金 的焊接性不如钢材，铝合金的焊接容易出现熔合不良，熔塌，裂纹等缺陷，使接头 强度难以保证。 图 1.4 为欧洲汽车的铝合金消耗量，可以看出，铸造铝合金的消耗量在总消耗量 中占据主要地位。但铸造铝合金的焊接容易出现较多的问题，这是因为铸造铝合金 组织粗大且常有各种夹杂、缩松缩孔等铸造缺陷，焊后的焊缝易于出现气孔、裂纹、 熔合不良等缺陷，因此属于铝合金材料系列中较难焊的一类材料，需要进一步的研 究。 铝硅系铸造铝合金，因其密度小、液体流动性好，并且具有优良的耐腐蚀性及高 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 的机械性能，焊接性尚好，而成为应用最为广泛的铸造铝合金1。另外，对于船舶、 装甲和某些武器装备等领域，往往涉及到中厚板铝合金的连接问题。本课题选择了 8mm 中等厚度的铸造铝合金 zl114 作为研究材料。 图 1.4 欧洲汽车工业铝合金消耗状况46 1.2 中厚板铝合金常用先进焊接技术中厚板铝合金常用先进焊接技术 目前，生产中常用 mig 焊、tig 焊等方法来焊接铝合金材料，虽然能够得到良 好的接头成形，但电弧焊熔透能力差、焊接变形大、生产效率低，接头强度不高等 缺点一直难以克服。近年来，科技工作者开始探讨铝合金先进焊接方法，如摩擦搅 拌焊、电子束焊，激光焊，激光电弧复合焊等。 1.2.1 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊 fsw(friction stir welding)是由英国焊接研究所 twi(the welding institute)于 1991 年提出， 搅拌摩擦焊原理如图 1.5 所示， 搅拌摩擦焊是通过高速旋转 的搅拌头与被焊材料间的剧烈热机联合作用而实现的固相连接。由于搅拌摩擦焊焊 接过程中不存在金属的熔化，属于固态连接过程，故焊接时不存在熔焊时的诸多缺 陷，可以实现熔焊方法难以焊接的有色金属材料。目前，在材料的厚度上，搅拌摩 擦焊单道焊可以实现厚度为 0.8100mm 铝合金材料的焊接；双道焊可以焊接 180 mm 厚的对接板材36。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 图1.5 搅拌摩擦焊原理示意42 随着搅拌摩擦焊技术的研究和发展，搅拌摩擦焊的应用领域逐渐扩大，搅拌摩 擦焊的局限也逐渐凸显。 （1）与某些弧焊技术相比，焊接速度还相对较低； （2）被 焊零件需要有一定的刚度或能被牢固固定； （3）由于搅拌头焊接结束后回抽，焊缝 末端留有“匙孔” ，所以必要时焊接工艺上需要添加“引焊板或退焊板” 。 （4）焊接 过程中需对焊缝施加巨大的顶锻压力36，这也极大的限制了该焊接技术在机器人等 设备上的广泛应用。 1.2.2 电子束焊接电子束焊接 电子束焊接是指在真空环境下，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。 电子束焊接铝合金优势如下： （1）同传统电弧焊接铝合金相比，接头强度明显 提高； （2）接头的抗裂性能一般要比氩弧焊焊缝高； （3）焊后残余应力小，变形小； （4）焊缝塑性和韧性得到提高； （5）电子束可控性好，易于焊接过程的自动化。 但电子束焊接铝合金时也存在较大的局限，表现在： （1）铝合金对电子束流非 常敏感，尤其是对于大厚度铝合金板焊接时，电子束流过小时不能焊透，过大时产 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 生熔塌，出现凹坑。 （2）铝合金电子束焊接的另外一个难点是焊接气孔，尤其是防 锈铝合金电子束焊，气孔问题较为严重； （3）电子束焊接要求在真空条件下进行， 所以加大了对大型铝合金结构件的施焊； （4）电子束易受周围环境电磁场的影响， 设备复杂，费用昂贵36。 1.2.3 激光焊接激光焊接 与传统焊接工艺相比， 激光焊接具有能量密度高， 无需真空条件及焊接效率高等 特点。大功率密度带来的低焊接线能量、大熔深、窄热影响区、小焊接变形、高焊 接速度等，使激光焊接易于实现工业自动化。 铝及铝合金的激光焊接难点之一为激光束辐射能的吸收率很低。对 co2激光束 表面初始吸收率 1.7%；对 yag 激光束吸收率也不超过 5%。 激光焊接铝合金容易形成一些和铝合金本身的性质相关的焊接缺陷。 （1） 接头中 容易形成较多冶金气孔。铝合金氢含量从高温到室温有一个跳跃性的变化，在激光 焊接的快速加热和冷却过程中，过量的氢从熔体中释放出来而形成较多的冶金气孔； （2）易于出现热裂纹。铝合金是典型的共晶合金，在激光焊接的快速加热和凝固过 程中，更容易产生热裂纹； （3）工艺气孔。铝合金的电离能相对较低，而激光焊接 中的光致等离子体对传统 co2激光束的吸收率较高， 容易引起等离子体的过度膨胀， 降低激光焊接过程稳定性，不稳定的小孔会坍塌而形成较大的工艺气孔； （4）成形 不良。液态铝合金流动性好，表面张力低，焊接过程的不稳定因素容易引起焊接熔 池的剧烈震荡，产生咬边、成形不连续等焊接缺陷2。 1.2.4 激光激光-电弧复合焊接电弧复合焊接 激光复合焊接技术克服了单独热源焊接的局限，增强了复合焊接新功能。和单 激光相比，激光复合焊接在以下几个方面得到了明显的提高：（1）焊接速度；（2） 材料的可焊厚度；（3）焊缝桥接能力；（4）气孔、裂纹等焊接缺陷敏感性降低3； （5）焊接过程稳定性和焊接效率。复合焊接的发展过程初步的分为以下几个阶段。 第一阶段为20世纪七十年代， 复合焊接技术正式出现。 steen50等人提出了将co2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 激光和tig电弧联合在一起，用于焊接和切割应用的复合概念，并通过实验观察到了 激光和电弧的相互作用的一些基础现象。从实际效果来看，激光电弧复合的提出显 著增加了薄板焊接的焊接速度。十九世纪八十年代之前，激光-电弧的所有可能的复 合形式都已经提出，但这些新发明的工程实际应用还没有大规模开展，这主要是因 为当时的激光器还不是很经济，可靠性也不是很高3。 在激光复合焊接的第二阶段里，激光辐射对电弧弧柱行为的影响被用来提高电 弧焊接效率，从而出现了激光强化电弧焊接技术。cui和decker证实：对于tig焊接， 只需要加入100w的co2激光就可以实现（1）维持电弧的点燃；（2）增加电弧稳定 性；（3）提高焊接质量；（4）电弧尺寸的减小，电流增加，焊接速度提高。尽管 激光强化电弧焊接的优势明显，但未见该技术随后的系统研究和工业应用3。 复合焊接技术的第三阶段出现在20世纪90年代左右， 此时的复合焊接方式为大功 率激光器为主要热源。此时，cw:co2激光焊接技术也已经实现了工业应用，但弱点 也很突出：工件边缘准备和装夹要求严格，快速凝固导致的与材料相关的气孔和裂 纹，以及激光器设备较高的投入和使用费用。另外，一些实用潜力巨大的焊接技术， 并不能通过单独的激光焊接来实现；如汽车工业的激光拼焊；造船工业的厚板焊接； 以及裂纹敏感材料的高速焊接。在研究可行方案时，复合焊接再次复苏并得到了令 人满意工业应用效果，在此过程中，发展了几种热源种类组合方式和众多的结构安 排方式。beyer等人首次实现了nd:yag-tig作用在同一个区域的复合焊接方式（如 图1.6）并使用该技术实现了搭接和不等厚板的拼接3。 seyffahrt等人提出了co2 激光/mag的新型激光-电弧复合方式，但两种热源作 用在不同的位置。如图1.7左边所示，特殊的坡口设计可以实现激光焊接坡口钝边， 而电弧实现最后一层的盖面焊接。这种设计在合适的复合焊接参数下，表层焊接可 以实现激光焊接区域的退火，从而降低整个焊缝的硬度3。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 激光-tig 不等厚对接 图1.6 作用在同一区域的激光-tig复合焊接示意图 3 图1.7 作用在不同区域的激光-感应复合焊接原理图3 随着复合焊接技术的发展，激光和电弧作用在同一区域的复合方式获得了更长 足的发展，并产生了相应的复合焊接头，这种复合焊接头在汽车，铁道，航空和造 船工业领域也得到了实际应用。目前，电弧依然是第二热源的首选。激光与电弧的 基本复合方式，最常见的还是激光和电弧位于同一熔池的旁轴复合方式，这主要是 因为这种机械结构实现较容易，调节也比较方便。图1.8是激光电弧旁轴复合的详细 图解。表1是电弧焊，激光焊和激光/电弧复合的焊接性比较。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 图1.8 激光-电弧复合焊接原理图4 表1.1 电弧焊、激光焊和复合焊工艺特性比较 电弧焊电弧焊 激光焊激光焊 复合焊复合焊 桥接能力桥接能力 良好(填丝) 不良 良好 残余应力与变形残余应力与变形 较高 低 低 生产效率生产效率 低 高 高 裂纹敏感性裂纹敏感性 高（凝固裂纹） 高（脆性相） 低 冷却速度冷却速度 低(无脆性相生成)高（产生气孔） 较低(减少气孔) 焊缝熔深焊缝熔深 较浅，多层焊厚板较深，薄板、中厚板深，中厚板、厚板 过程稳定性过程稳定性 高速焊不稳(驼峰)小孔稳定 电弧、小孔都稳定 激光-mig 复合焊接与激光焊接及传统的电弧焊接相比有如下优点5：复合焊与 单激光、单 mig 焊相比可以显著地增加熔深；激光焊接由于热作用区域很小，对工 件装配要求高，而电弧的热作用范围较大，可以降低对接缝的对中性要求，减少错 位，提高焊接适应性，特别是焊丝金属熔化进人熔池，可以在较大的间隙下实现焊 接；由于激光束对电弧的压缩和引导作用，使得电弧的焊接质量和稳定性得到提高； 激光焊接峰值温度高，温度梯度大，冷却凝固很快，容易产生裂纹和气孔，电弧的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 热作用范围较大，使温度梯度减小，降低冷却速度，使得凝固过程变得缓慢，减少 或消除气孔和裂纹的生成，从而改善焊缝微观组织、减少焊接缺陷。同时由于复合 一定功率的电弧，可以用较小功率的激光得到满意的焊接效果，与激光焊相比可以 降低设备成本。图 1.9 为实际的激光-mig 复合焊接效果。 图 1.9 激光-mig 复合焊接效果图6 1.3 中厚板铝合金光纤激光中厚板铝合金光纤激光-mig 复合焊接复合焊接 1.3.1 光纤激光的比较优势光纤激光的比较优势 自从 1996 年 10w 单模光纤激光问世以来，目前的二极管泵浦光纤激光器最大 功率可以超过 20kw。光纤激光器具有免维护，超过 27%的转换效率，超过 50 万小 时的二极管寿命， 大焦距， 可 200m 远距离光纤导光等诸多优势正成为工业界的新宠， 具有极大的发展潜力7。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 目前广泛应用的光纤激光器为 ipg，spi 等生产的渗 yb3+双包层全光纤激光器， 其典型结构通常由掺杂的核心，内包层，外层包层和聚合物涂层构成。核心掺杂一 般使用稀土离子，如 yb3+, nd3+, er3+等，其中渗 yb3+双包层由于激发态寿命长 （870s） ，吸收光谱宽（8001064 nm） ，发射光谱宽（9751200 nm） ，即使在高浓 度掺杂下也不会出现浓度猝灭而获得了最广泛的应用8。 典型的双包层全光纤激光器的结构原理如图 1.10 所示，两个光栅（fiber bragg grating）构成谐振腔，泵浦耦合器（pump coupler）将二极管泵浦光（diode pump beam）收集并输送到谐振腔，双包层谐振腔由低折射率的外包层形成波导，内包层 引导泵浦光激发纤芯产生激光，通过其中的一个光纤光栅将激光导出，经准直和聚 焦后可用于焊接等材料加工。与传统的谐振腔不同，光纤光栅构成的谐振腔可以缠 绕成多匝线圈，极大的提高了激光器对恶劣的工作环境，尤其是野外施工环境的适 应能力。 图 1.10 光纤激光原理简图9 图 1.11 为几种常用的大功率激光器（1kw 以上）的综合使用成本比较，在考虑 了占地空间，冷却成本和维护费用后，光纤激光的综合成本明显低于 co2激光，灯 泵浦 nd:yag 激光和盘式激光器。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 图 1.11 几种不同激光的使用成本10 图 1.12 为 al 等金属材料对不同波长的激光束吸收率的变化曲线，分析表明，短 波越长，金属的吸收率越高；这是由于光束波长越短，被束缚的电子吸收的光子能 量越高，所以反射率下降，使材料表面对光束的吸收率增加。常用的钢、铁、铝等 材料，对 1.06m 的激光束的吸收率明显高于 10.6m 的激光束，光纤激光器的波长 一般为 1.06m 左右，与 yag 激光器相近，与 co2激光相比，光纤激光对高反射率 材料的焊接适应性更高。 图 1.12 几种金属对不同激光束的吸收效率10 图 1.13 是几种常见的激光器的光束参数乘积 bpp（beam parameter product）比 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 较， bpp 表示束腰宽度0和远场发散角的乘积，即 bpp=0*。bpp 越小，激 光束的聚焦性能越好，激光焊接头的焦距可以做的更大，这不仅有利于保护激光焊 接头免受焊接飞溅损伤，还使激光远程焊接成为可能。图 1.14 为光纤激光的远程焊 接。 图 1.13 不同激光束的 bpp 比较11 图 1.14 光纤激光远程焊接7 较小的光束参数乘积不仅有利于光纤激光的远程焊接，在深熔焊接方面，光纤 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 激光也有优于其他激光的表现。 图 1.15 是在不同聚焦状况下的 yag 激光和光纤激光 焊接 304 不锈钢时的吸收率。随着离焦量绝对值由大变小，激光焊接模式由热导焊 向小孔焊转变， 但光纤激光在-10mm+10mm 范围内都能实现小孔焊接模式； 而 yag 激光只能在-5mm+5mm 范围内保持小孔焊接模式；同时，yag 激光和光纤激光的 吸收率都明显都增加，其中，yag 激光的吸收率从 30%增加到 70%，而光纤激光的 吸收率从 65%增加到 85%，但光纤激光的吸收率整体要高 yag 激光器。此外，光纤 激光和 yag 激光都在 0mm 左右实现最大熔深，但光纤激光的最大焊接熔深明显大 于 yag 激光。 图 1.15 光纤激光和 yag 激光聚焦性能和离焦量对 304 不锈钢吸收激光效率影响12 以上分析表明，光纤激光具备良好焊接性，是因为其优异的聚焦性能；但需要 指出的是，要想获得最优化的焊接质量，光纤激光的聚焦焦点尺寸并非越小越好， 因为聚焦尺寸要和激光功率综合考虑，从而使焊接功率密度在一个合理的范围之内。 图 1.16 为光纤激光在 4 种不同聚焦焦点尺寸下焊缝表面和横截面形貌，其中激光功 率为 10kw，焊接速度为 4.5m/min，可以发现，若焦点尺寸过大（560m） ，焊接飞 溅严重，焊缝出现未填满；而焦点尺寸过小（130m） ，焊缝易于形成驼峰。而焦点 尺寸为 200m 和 360m 时，焊缝都没有明显的焊接缺陷；其对应的功率密度为 100kw/mm2和 350 kw/mm2。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 图 1.16 光纤激光的焦点直径与焊缝形貌12 1.3.2 光纤激光致等离子体研究光纤激光致等离子体研究 目前对光纤激光焊接机理研究还比较少， 这主要是因为光纤激光的应用还处在推 广阶段。在激光焊接中，由于光致等离子体往往能明显影响焊接过程的稳定性，以 下主要介绍大功率光纤激光致等离子体形态特征和动态特性以及对焊接熔深的影 响。kawahito 等人采用高速彩色摄像机，观察了功率为 10kw，功率密度为 0.9mw/mm2的光纤激光堆焊 304 不锈钢的光致等离子体。 图 1.17 所示为等离子体的 典型形态，等离子体分为上下两部分，上部为红色的等离子体，且与入射激光束平 行；下部为从激光小孔直接喷发出的蓝色等离子体。 对蓝色等离子体的进一步的动态观测表明，激光辐照材料表面 0.5s 后，首先从 激光小孔喷射出蓝色等离子体，蓝色等离子体沿着入射激光向上运动并转变成红色 等离子体，0.5ms 后蓝色等离子体再次从激光小孔产生，整个过程循环连续产生和发 展。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 图 1.17 采用 ar 气保护的 10kw 光纤激光致等离子羽的高速摄像照片13 进一步的光谱分析表明，所谓的光致等离子体主要由304不锈钢形成的金属蒸气 构成。bolzman图分析和saha方程计算表明，大功率光纤激光致等离子体温度仅为 6000k，其电离度为0.02，属于弱电离状态。而大功率co2激光焊接不锈钢的等离子 体温度为80009200k，电离度约为0.65。 为了研究光致等离子体对入射光纤激光的影响， kawahito 等人采用与光纤激光波 长近似的激光探针穿过光致等离子体，分析探针激光束由等离子体所引起的折射和 能量衰减情况。结果表明，光纤激光致等离子体引起的光束折射角度最大不超过 0.6mrad， 远小于聚焦光纤本身的 90mrad 变化量； 将这种偏转折算成聚焦光斑的偏移 量，也仅为 6m，远小于焊接时入社光束的聚焦光斑直径（130m）。探针激光的 功率衰减率最大为 4%，和 10kw 的光纤激光焊接时的输出功率变化率相当；而衰减 的原因主要是 rayleigh 散射和偶然的焊接飞溅14。 另外，图 1.18 所示为光致等离子体对焊接熔深的影响，随着激光功率的增加，焊 接熔深几乎呈线性增加；这说明，光致等离子体对焊接熔深的衰减影响基本可以忽 略。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 图 1.18 光纤激光功率对焊接熔深影响14 1.3.3 光纤激光及其复合焊接应用光纤激光及其复合焊接应用 光纤激光由于其优质的光束质量和易于实现大功率及高可靠性， 在厚板航空航天 材料和管道建设方面获得了较多研究。欧洲空客公司对（2-3mm）6xxx 铝合金板采 用激光焊接代替铆接，有效减轻了机身重量，明显提高了经济效益15；但对于更厚 的（6mm）铝合金结构件，尤其是焊接性较差的 7xxx 和 2xxx 铝合金，尚不能获得 良好的焊接质量。英国焊接研究所（twi）研究了采用光纤激光自熔焊和光纤激光/ 电弧复合焊技术，都实现了 12.7mm 厚度的 7xxx 航天铝合金的优质连接，焊接质量 据称达到了 bs en iso 13919-2:2001 标准的 b 级（严格） ，气孔面积为焊缝横截面的 0.3%；接近 aws d17.1 标准的 a 级；焊缝强度为母材的 60%11。图 1.19 为光纤激 光-mig 复合焊接 12.7mm 厚的 7xxx 铝合金的焊缝横截面 （上） 和射线检测图像 （下） ， 由于最终所使用的焊缝为图中两条虚线之间的部分，所以焊缝上下表面的咬边和未 填满问题可以忽略。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 图 1.19 光纤激光-mig 复合焊接 12.7mm 厚的 7xxx 铝合金的焊缝横截面（上）和射线检测图像 （下） ，最终所使用的焊缝为图中两条虚线之间的部分16 采用光纤激光或光纤激光/mig 复合焊接工业纯钛时， 焊缝拉伸强度都高于母材， 但韧性都低于母材；其中，复合焊接焊缝的韧性优于激光焊接焊缝17。 石油管道建设方面， bonigon 和 geertsen 报道称18， 大功率 co2激光焊接技术可 以实现单道焊透 20mm，与实际使用的电弧自动焊相比，可以明显提高施工效率，但 未有后续应用报道。几年后，英国焊接研究所（twi）在英国石油公司（bp）的资 助下，开展了大功率 yag 激光焊接管线钢研究，如图 1.20 所示，单道激光焊接厚 度达到 12.7mm，但焊缝间隙容纳限度较低，提高了对管道坡口的预加工精度和施焊 时的装夹要求；另外，远距离跨国输送石油的管道往往需要经过气温较低的寒冷地 区，而单激光焊接管线钢容易生成脆硬相，使焊缝组织变硬，降低焊缝的低温冲击 韧性，所以 twi 进一步研究了 yag 激光/电弧复合焊接技术。实验结果表明，yag 激光/电弧复合焊接生产效率较高（焊接速度 1m/min），焊缝的强度、缺陷率和低温 冲击韧性均满足设计要求，但该套装备的便携性和经济性影响了该套复合焊接装备 的推广使用。这是因为，单台 yag 激光功率有限，大功率的 yag 激光束需要通过 光学设备将多台独立的功率较小的激光器的光束集成到一起，并实现同步实时控制， 其技术难度和设备体积因此明显增加，直接降低其经济性和便携性；另外，灯泵浦 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 yag 激光器的电光转换效率较低（35%），所以 yag 激光器功率越大，需要配备 的冷却设备投资就越大，使其经济性不如已经存在的电弧自动焊技术，也明显影响 了该装备的便携性。 图 1.20 yag/mag 复合焊接管线钢配置图（左）和 11mm 厚的 x60 焊缝横截面（右）19,20 2003 年，twi 将 yag 激光器换成光纤激光器，进一步研究了光纤激光/电弧复 合焊接 api 5l x80 管线钢21； 高达 20%的电光转换效率， 和高度集成的模块化设计， 极大地提高了设备的经济性和便携性。研究结果表明，在平板对接的条件下，该光 纤激光/电弧复合焊接装备可以实现平焊，立焊，仰焊的优质连接；以及在回转条件 下，焊炬从立焊位置实现整个圆弧轨道的焊接，焊接速度为 1.8m/min，焊缝坡口被 设计为 6mm 钝边加一较大的“v”形坡口，如图 1.21 所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 图 1.21 twi 光纤激光加工单元（左）和光纤激光/mag 复合平焊 x80 焊缝横截面21 1.4 中厚板铝合金研究现状中厚板铝合金研究现状 激光-mig 复合热源焊接铝合金可改善焊道成形，提高激光吸收率；激光-mig 复合热源获得的熔深，大于单独激光或 mig 采用同等热输入获得的熔深，并且它能 够减轻单独激光焊接时的气孔裂纹问题，因此更适合厚板铝合金焊接24。文献25 采用 15kw co2激光-mig 复合焊接技术可以一次焊透 10mm 铝合金，但需要在焊缝 背面加垫板强制成形，防止焊缝下榻。对于一些难以采用垫板的铝合金结构焊接， 该工艺尚需要进一步改进；文献26研究表明，采用 4kw 固体激光器 nd: yag-mig 复合焊接 8mm 中厚板铝合金时，可以不用垫板，但需要两道复合焊接成形，且需要 开“u”形坡口，生产效率较低，而且焊缝强度也只有母材的 80%。文献27研究表 明，采用 co2 激光-mig 复合焊接铝合金的接头强度只有母材的 69%，而且焊接过 程中会因为等离子体的剧烈膨胀而影响焊接过程的稳定性。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 1.5 课题主要研究内容课题主要研究内容 分析表明，光纤激光将是未来工业激光的首选激光源，而激光-mig 复合焊接中 厚板铝合金也将是最可能成功应用于工业生产的焊接技术。本文采用 ipg ylr-4000 的 4kw 光纤激光器，fronius tps4000 弧焊电源，采用实验室自行搭建的复合焊接平 台，研究了 8mm 铸造铝合金 zl114 的光纤激光-mig 复合焊接工艺特性，尝试在不 开坡口也不加垫板的条件下，一次焊接成形 8mm 中厚板铝合金。重点分析了如何充 分利用复合效应和优质光束质量来发掘复合焊接的穿透能力，并控制焊缝熔塌。主 要内容包括以下几个方面 （1）8mm 铝合金 zl114 的光纤激光-mig 复合焊接优化工艺，包括焊缝熔塌分 析与控制，优化参数包括焊接方向，坡口形式，激光功率，电弧电流，焊接速度， 离焦量，焊丝种类等； （2）复合焊接接头组织特征，包括组成相形态和成分分析，并比较焊缝区、热 影响和母材的同同种相的区别和联系，不同焊丝下获得的组织比较； （3）复合焊缝接头力学性能测试与分析，包括断口形貌分析，接头强度影响因 素分析。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 2 光纤激光光纤激光-mig 复合焊接中厚板铝合金工艺研究复合焊接中厚板铝合金工艺研究 2.1 实验材料及方法实验材料及方法 本试验选用的焊接试件材料为zl114a优质铸造铝合金，属于al-si-mg系列三元 合金。美国astm牌号为：a13570；其化学成分如表2.1所示， mg、cu等合金元素 的加入形成强化相al2cu和mg2si，参与固溶-沉淀强化，加强热处理强化效果，提高 合金的机械性能，降低杂质fe的含量；添加少许的ti，能显著细化晶粒，ti在铝合金 中形成细小的化合物，可作为铝固溶体的结晶核心，由于铝固溶体的细化，使得在 晶界和枝晶间的化合物也随之细化，提高合金的热处理效果和合金的机械性能。合 金主要相组成是固溶体、 （+si）共晶、可强化的(mg2si）相和al3ti。 实验用母材为 8mm 厚铸造铝合金 zl114，尺寸为 100mm50mm8mm，根据 复合焊接工艺需要，在有些试板的边缘预制一定尺寸的坡口，坡口相关尺寸如图 2.1 所示，在后续未标明坡口角度的，默认坡口角度=0，即平板对接；母材焊前用 丙酮擦拭除油并经化学清洗烘干，焊丝有三种，分别为 al-si、al-mn、al-mg 铝合 金焊丝，直径=1.2mm；母材和焊丝化学成分见表 2.1，在未注明的条件下，本文默 认的焊丝为 al-si 焊丝。 图 2.1 复合焊接坡口设计 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 22 表 2.1 母材和焊丝的化学成分（质量分数） element (si) (mg) (cu)(mn)(fe)(ti) (zn) (al) base material 6.5-7.5 0.45-0.75 0.1 0.1 0.2 0.08-0.25 bal. al-si wire 11.0-13.0 0.10 0.30 0.15 0.80 0.20 bal. al-mn wire 0.60 1.01.6 0.70 bal. al-mg wire 0.40 4.75.7 0.200.600.40 0.050.2 bal. 激光-mig 复合焊接实验所采用的激光器为 ipg ylr-4000 光纤激光器， 如图 2.2 所示，最大输出功率 4kw，激光通过光纤传输经复合焊接头聚焦，焦长为 250mm， 焦点直径 0.3mm；mig 弧焊电源为 fronius tps4000 逆变电源，激光和 mig 焊枪旁 轴复合而成，如图 2.3 所示。实验所用的 tps4000 逆变电源可以实现电流，电压和 送丝速度一体化调节，所以本文仅用电流来表征电弧的实验参数。复合焊接方向分 电弧在前（arc leading，al）和激光在前（laser leading，ll）两种复合方式，采 用纯 ar 作为保护气体从 mig 焊枪输出。实验中的参数设置如表 2.2 所示。 图 2.2 ipg ylr-4000 光纤激光器 图 2.3 激光-mig 复合焊接示意图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 23 表 2.2 复合焊接实验的参数范围 parameters value/range laser power(pl) 3.44.0kw defocusing distance(fd) -4mm0mm current(i) 100180a mig torch travel angle() 75 shielding gas ar(25l min-1) welding direction al/ll welding speed(v) 11.5m/min 根据光纤激光-mig 复合焊接实验结果，进行焊缝横截面尺寸分析时，取焊缝三 个不同位