5083铝合金激光-MIG复合焊接过程稳定性与气孔缺陷研究

发布时间：2020-05-16 11:01

【摘要】：目前,5083铝合金广泛应用于航空航天、高速列车、LNG船舶和汽车等方面。本文以6mm厚的5083铝合金为试验材料,进行了激光-MIG复合焊接过程稳定性与气孔缺陷的研究。论文探讨了焊接参数对焊接过程稳定性和焊缝成形的影响,同时,在焊透的条件下,探究焊接参数和坡口参数对对接焊缝内部气孔缺陷的影响,最终,通过优化的参数得到了良好的焊接接头,并分析了接头的显微组织和力学性能。首先本文基于短路过渡和射滴过渡两种熔滴过渡条件,探究各焊接参数对过程稳定性和焊缝成形的影响,结果显示:两种熔滴过渡条件下,随着激光功率和热源间距的增加,焊接过程稳定性和焊缝成形均先变好后变差,随着焊接速度的增加,焊接过程稳定性和焊缝成形均变差。激光功率应与焊接速度相匹配,当焊接速度较低时,较小的激光功率即可维持焊接过程的稳定性,激光功率过大反而会降低焊接过程稳定性,同时造成焊缝成形不佳;当焊接速度较高时,需要适当提高激光功率。通过研究,短路过渡时焊接速度小于2m/min,激光功率2000W-4000W比较合理;射滴过渡时,焊接速度不宜高于3m/min,激光功率可在2000W-6000W范围选择。激光功率或焊接速度继续增大均难以保证焊接过程的稳定。当其它工艺参数选择合适时,短路过渡情况下,热源间距选择3mm比较合理,射滴过渡情况下,热源间距在1-5mm范围内选取即可,工艺窗口稍大。另外,从成形的角度考虑,当焊接过程稳定时,焊缝成形较好,同时,任何参数条件下,短路过渡的成形均比射滴过渡时差,因此,实际焊接时宜采取射滴过渡的方式。其次研究了焊透状态下焊接参数(激光功率、焊接速度、热源间距)和坡口参数(坡口角度、对接间隙)对6mm厚5083铝合金对接焊缝内部气孔缺陷的影响,结果表明,增加激光功率后上部气孔率基本不变(0.2%-0.3%),下部气孔率增加,气孔平均尺寸变大;提高焊接速度后上部气孔率基本不变(0.1%-0.3%),下部气孔率和气孔平均尺寸均先减小后变大;热源间距为3mm时,气孔率和平均气孔尺寸最小,当热源间距为1mm、5mm、7mm时,随着热源间距的增加,焊缝上部气孔率增加,但焊缝总气孔率和气孔平均尺寸变化不大;坡随着坡口角度的增加,焊缝上部气孔率、下部气孔率、总气孔率和气孔平均尺寸均减小;合理的对接间隙能有效减小焊缝中的气孔率和气孔平均尺寸,试验中对接间隙为0.6-0.9mm范围内时,气孔率已低于0.8%。本试验激光功率3200W、焊接速度1.5m/min、热源间距3mm、坡口角度30°、对接间隙0.9mm时,可得到气孔缺陷较少的焊接接头。最后采用如上参数完成了6mm厚的5083铝合金激光-MIG复合焊接并分析和焊接接头的微观组织和力学性能,结果表明,焊缝上部热输入较大,晶粒较粗大,中心为等轴晶,边缘柱状晶特征不明显;焊缝下部热输入较小,晶粒比焊缝上部小,中心为等轴晶,边缘为明显的柱状晶。焊缝区硬度略低于母材,焊缝上部硬度略低于焊缝下部,EDS结果显示,焊接接头硬度变化主要与Mg元素的烧损有关。全厚度拉伸试验表明:焊接接头抗拉强度约为母材的90.8%,延伸率约为母材的81.9%,通过SEM观察拉伸试样断口,发现大量韧窝,呈现明显的韧性断裂的特征。
【图文】：

高速列车,LNG船,铝合金

气的排放是目前交通运输业发展的关键[1-3]。同时，随着人们生活水平的提高，安全、舒适、环保的轻量化出行也成为一种趋势。保证交通运输工具的轻量化，除了采用新技术在结构设计方面创新，最有效地方法是降低交通工具自身的质量[4, 5]。铝合金含量丰富，在地壳中含量仅次于氧和硅，同时铝合金具有密度低、塑性好、易于加工和无韧-脆转变等优点，在交通运输业越来越受到关注。目前，铝合金已经应用到高速列车、船舶、汽车、航空航天等领域[6, 7]。在一些发达国家，已经制造出全铝列车等，有研究表明，采用铝合金的铁路列车与普通列车相比，能耗至少降低 10%，轻量化效果十分明显[8]。5083 铝合金属于 Al-Mg 系合金的一种，供货状态为退火态或加工硬化态，属于不可热处理强化的铝合金。5083 铝合金具有优良的性能，其中，Mg 作为主要的强化元素，与铝生成 β 相提高了材料的强度[9, 10]；合金中还含有少量的 Mn和 Cr，可提高材料的耐蚀性[11]；同时，5083 铝合金还具有良好的加工性能和焊接性等，因此在航空航天、高速列车、LNG 船舶和汽车等方面的应用越来越广泛，如图 1-1 所示。

示意图,搅拌摩擦焊接,示意图

上海交通大学硕士学位论文面积足够大，，增大了焊缝金属填充量，降低了焊接焊（FSW）是利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦生热形，加上压力的作用实现的一种固相连接[20]，焊接统的电弧焊方法焊接铝合金时，容易产生气孔等焊接由于不存在材料的熔化，且由于轴向压力的存在，缺陷，获得致密的焊接接头。同时，MIG 焊焊接铝造成焊接接头的软化，而 FSW 可有效地避免焊接接发展的过程中也遇到一些问题，如焊接速度相对较件应用难度较大；对装夹刚性要求比较高；焊缝的尾限制了 FSW 在实际工业生产中的应用[21, 22]。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG457.14

【参考文献】