铝合金高功率双光束激光及与TIG复合焊接特性研究

发布时间：2017-12-14 07:10

  本文关键词：铝合金高功率双光束激光及与TIG复合焊接特性研究

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【摘要】：铝合金具有低密度、高强度、高塑性、耐腐蚀、易于加工等一系列优异的特点,成为航空航天及高速列车等运载工具结构轻量化设计的首选材料。以TIG和MIG为代表的传统电弧焊方法仍然是目前铝合金结构件焊接加工制造的主要方法,但由于电弧的能量密度相对较低,焊接速度较慢,热输入较大,在解决构件的焊接变形、热损伤、焊接效率的提升等焊接工程问题上遇到了技术瓶颈。以高能量密度深熔焊接为特征的焊接方法(激光及激光-电弧复合焊)由于具有焊接速度快、材料热损伤小、焊接变形小等优势,在铝合金的焊接研究领域越来越受到关注。已有的研究表明,铝合金激光深熔焊接其中的一个主要问题是焊缝成形差,表现为焊缝表面形状粗糙不均匀,焊缝熔深波动较大;另一个主要问题是极易产生匙孔型气孔,尤其在非熔透型结构焊接的情况下更易产生。这些缺陷的产生与激光匙孔的不稳定性相关。如何充分发挥激光深熔焊接优势,解决铝合金深熔焊接由于匙孔不稳定性引起的焊接缺陷问题是本论文探索的重点。本论文以5A06铝合金为研究对象,采用6kW碟形固体激光发生器,系统地研究了单光束激光焊、双光束激光焊、单光束激光-TIG电弧复合焊、双光束激光-TIG电弧复合焊四种焊接方法在深熔焊接特征下关键焊接参数对焊缝形状及气孔率的影响规律,并对四种焊接方法的焊缝表面成形、熔深波动、焊缝深宽比等成形要素及焊缝气孔率进行了对比分析。结果表明,在相同焊接参数下,双光束激光焊与单光束激光焊相比,表面成形更均匀,表现为焊缝余高波动更小,波动幅度约为单光束激光焊波动幅度的30%-40%;在熔深和深宽比方面,双光束激光焊接的熔深和深宽比约为单光束激光焊的50%-80%;无论是单光束激光深熔焊还是双光束激光深熔焊,均存在熔深波动现象,波动幅度约为其熔深的20%-40%。单光束激光-TIG电弧复合焊与双光束激光-TIG电弧复合焊在焊缝成形对比分析方面,分别与单光束激光焊及双光束激光焊有着相似的规律。在铝合金非熔透型焊接条件下,通过分析气孔率与焊缝形状的关系发现,气孔缺陷与焊缝深宽比密切相关。无论是单光束激光焊、双光束激光焊还是单光束激光-TIG电弧复合焊及双光束激光-TIG电弧复合焊,焊缝深宽比越大,气孔越严重。当焊缝的深宽比不超过0.8时,四种焊接方法的焊缝气孔率均可以控制在3%以下。在对关键焊接参数对焊缝形状及气孔率的影响规律研究的基础上,采用高速摄像仪对单光束激光焊、双光束激光焊、单光束激光-TIG电弧复合焊以及双光束激光-TIG电弧复合焊四种焊接方法下匙孔、等离子体以及飞溅的动态信息进行采集,利用MATLAB软件对采集的图像信息进行处理分析。研究表明,四种焊接方法的激光匙孔和等离子体都存在着由产生到长大再逐渐变小甚至湮灭的周期性变化,不同于单光束激光焊及单光束激光-TIG复合焊,双光束激光及与TIG复合焊的匙孔存在长大及分离、维持、合并及缩小的过程。相同焊接参数下,双光束激光焊的匙孔开口面积的均值约为单光束激光焊的2倍,匙孔开口面积变异系数约为单光束激光焊的50%,匙孔的波动周期约为单光束激光焊的1.5倍;同样的规律也反映在等离子体的变化特征上,相同焊接参数下,双光束激光焊等离子体从产生到湮灭的周期约为单光束激光焊的1.5倍,等离子体面积变异系数约为单光束激光焊的50%;在焊接飞溅方面,双光束激光焊的飞溅颗粒更细小均匀。单光束激光-TIG电弧复合焊与双光束激光-TIG电弧复合焊在匙孔和等离子体的变化特征上,分别与单光束激光焊和双光束激光焊有着相似的规律。
【学位授予单位】：机械科学研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG457.14

【参考文献】

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本文编号：1286994