2024高強(qiáng)鋁合金高功率CO2激光焊接性研究.pdf

1、大飛機(jī)的研制是當(dāng)前我國(guó)科技界的一個(gè)重大課題。在大飛機(jī)的制造中,機(jī)身壁板的連接是制造工藝中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。激光焊接技術(shù)具有深寬比大、能量密度集中、焊接熱變形小等優(yōu)點(diǎn),成為航空工業(yè)中新興的連接方式。2024鋁合金由于其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能,在航空工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。本課題以大飛機(jī)的研制為背景,以2024鋁合金的激光焊接性為主要研究對(duì)象,利用大功率CO2激光器,分別采用純激光、激光-TIG復(fù)合、激光-TIG復(fù)合填絲三種方式,對(duì)2024鋁合金

2、的成形及熱裂紋傾向等激光焊接性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,并對(duì)接頭的組織及力學(xué)性能進(jìn)行了深入分析。
　　試驗(yàn)首先研究了2024鋁合金激光焊接的成形性。在純激光焊接條件下,研究了激光功率、焊接速度、保護(hù)氣體流量等工藝參數(shù)對(duì)于焊縫成形的影響。由于純激光焊時(shí)鋁合金材料對(duì)于激光反射嚴(yán)重,能量吸收率較差,導(dǎo)致焊接過(guò)程不穩(wěn)定,成型差。為了改善2024鋁合金的激光焊接性,試驗(yàn)中引入前置 TIG電弧與激光能量進(jìn)行耦合,以增強(qiáng)材料對(duì)于激光能量的吸收率。通過(guò)比

3、較相同熱輸入下的焊縫成形效果以及工藝曲線(xiàn),發(fā)現(xiàn)激光復(fù)合焊下材料對(duì)于激光能量的吸收較為均勻,未出現(xiàn)能量吸收率的突變以及明顯的閾值現(xiàn)象,并且焊縫成形較為連續(xù),焊縫質(zhì)量較好,說(shuō)明添加TIG電弧確實(shí)提高了材料對(duì)于激光能量的吸收率。試驗(yàn)還通過(guò)添加4043焊絲以進(jìn)一步改善焊縫成形,減小熱裂傾向,并采用優(yōu)化的工藝參數(shù)得到了成形良好的焊接接頭。
　　采用魚(yú)骨狀裂紋試驗(yàn)研究了2024鋁合金在不同焊接工藝下的熱裂紋傾向,結(jié)果發(fā)現(xiàn)熱輸入和焊接速度的增大

4、都會(huì)增加熱裂紋傾向。試驗(yàn)還比較了不同工藝方法下接頭的熱裂紋傾向,結(jié)果顯示在相同的熱輸入條件下,復(fù)合焊的熱裂紋傾向明顯大于純激光焊,而通過(guò)添加4043焊絲對(duì)焊接熱裂紋有較好的愈合作用。通過(guò)觀(guān)察熱裂紋的表面形貌,依據(jù)凝固裂紋開(kāi)裂模式[52],討論分析了三種工藝條件下熱裂紋的形成機(jī)制。純激光焊接屬于沿晶間液膜分離的B型開(kāi)裂并伴有一定量穿晶斷裂的開(kāi)裂模式;激光復(fù)合焊為沿晶間液膜分離的B型開(kāi)裂模式;激光復(fù)合填絲焊為伴有愈合作用的A型開(kāi)裂模式。

5、r>　　對(duì)純激光、激光復(fù)合以及激光復(fù)合填絲焊接工藝下得到的焊接接頭進(jìn)行了顯微組織的觀(guān)測(cè)。焊縫的顯微組織主要為塊狀基體α-Al以及分布于基體上的大量析出物 S相(CuMgAl2)以及θ相(CuAl2)。填絲焊的焊縫中還有一定量的Mg2Si存在。采用掃描電鏡觀(guān)察焊縫發(fā)現(xiàn)純激光焊接的析出物多半呈顆粒狀彌散分布在晶界處,而復(fù)合焊的析出物多為網(wǎng)絡(luò)狀連續(xù)分布于晶界。對(duì)比未填絲與填絲焊的EDS能譜掃描結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)填絲焊焊縫中,合金元素偏聚于晶界處,

6、晶內(nèi)合金元素大幅降低。
　　對(duì)激光焊、激光復(fù)合焊、激光復(fù)合填絲焊得到的焊縫進(jìn)行顯微硬度的測(cè)定結(jié)果表明,焊縫由于受到激光焊接過(guò)程高溫熔化的影響,硬度明顯低于母材,熱影響區(qū)存在“軟化區(qū)”。在相同熱輸入量下,對(duì)比純激光、激光復(fù)合、激光復(fù)合填絲焊的硬度值可知,激光復(fù)合焊接接頭平均硬度值最高,為110HV左右;純激光焊次之,為98HV左右;而激光復(fù)合填絲焊接接頭硬度值最低,平均硬度僅為90HV。對(duì)純激光、激光復(fù)合、激光復(fù)合填絲焊接接頭進(jìn)行了