光纤激光-电弧复合焊接高强铝合金工艺、缺陷产生与质量控制

摘要

近年来，光纤激光器以其输出功率高、光束质量好、结构紧凑、能采用光纤传输等优点，在焊接领域具有广阔的应用前景。光纤激光－MIG（熔化极惰性气体保护焊）复合焊接技术集成了两热源的优点，具有更高的焊接效率和更强的适应能力，是目前激光焊接技术的研究热点。但是研究表明，其在焊接高强铝合金厚板时存在焊缝成形不佳，易出现气孔、裂纹等缺陷，接头性能还有待进一步提高等尚未解决的技术难点。为此，本文针对2xxx、6xxx系列高强铝合金光纤激光－MIG复合焊接高强铝合金的工艺特性、焊缝成形特点、气孔产生及抑制机理、接头显微组织演变机制以及接头性能进行了系统研究，旨在为实现复合焊接厚板高强铝合金的工程应用奠定理论基础。具体研究成果如下：对单独光纤激光焊接高强铝合金工艺特点、冶金缺陷、接头性能及其焊接适应性进行了研究。结果发现，冶金缺陷是影响高强铝合金激光焊接接头质量主要因素。其中，咬边缺陷随焊接速度与激光功率密度的增大而增大。而且，针对不同类型的铝合金，母材中低沸点合金元素含量越高，激光束诱发等离子体的能力越强，接头咬边程度越大。通过正交试验发现，激光小孔深度和等离子体波动是影响气孔率的主要原因；保护气种类、激光功率、离焦量显著影响气孔率的置信度为95％。在上述研究基础上，实现了光纤激光焊接高强铝合金的参数优化，获得了质量标准达到C级的光纤激光焊接接头，最大抗拉强度达到母材的72％，比电弧焊接接头高11％。开展了高强铝合金光纤激光-MIG复合焊接研究，得到了最优工艺参数范围。研究认为激光与电弧的最佳热源间距范围随焊接电流的增大而增大，采用氦氩混合气体可以获得更大的焊接熔深和更好的焊缝成形。通过熔池受力分析得到了焊缝成形质量控制方法，绘制了成形质量控制图。
　　 本文对高强铝合金光纤激光-MIG复合焊接接头的气孔产生和抑制机理进行了深入分析，得到了气孔抑制方法。分析认为增大小孔直径、提高工件上方温度、增加电弧电流是实现抑制复合焊接接头气孔的有效手段。增大小孔直径、提高工件上方温度能够降低小孔内等离子体密度、稳定激光小孔，实现对气孔的抑制。近年来，光纤激光器以其输出功率高、光束质量好、结构紧凑、能采用光纤传输等优点，在焊接领域具有广阔的应用前景。光纤激光－MIG（熔化极惰性气体保护焊）复合焊接技术集成了两热源的优点，具有更高的焊接效率和更强的适应能力，是目前激光焊接技术的研究热点。但是研究表明，其在焊接高强铝合金厚板时存在焊缝成形不佳，易出现气孔、裂纹等缺陷，接头性能还有待进一步提高等尚未解决的技术难点。为此，本文针对2xxx、6xxx系列高强铝合金光纤激光－MIG复合焊接高强铝合金的工艺特性、焊缝成形特点、气孔产生及抑制机理、接头显微组织演变机制以及接头性能进行了系统研究，旨在为实现复合焊接厚板高强铝合金的工程应用奠定理论基础。具体研究成果如下：对单独光纤激光焊接高强铝合金工艺特点、冶金缺陷、接头性能及其焊接适应性进行了研究。结果发现，冶金缺陷是影响高强铝合金激光焊接接头质量主要因素。其中，咬边缺陷随焊接速度与激光功率密度的增大而增大。而且，针对不同类型的铝合金，母材中低沸点合金元素含量越高，激光束诱发等离子体的能力越强，接头咬边程度越大。通过正交试验发现，激光小孔深度和等离子体波动是影响气孔率的主要原因；保护气种类、激光功率、离焦量显著影响气孔率的置信度为95％。在上述研究基础上，实现了光纤激光焊接高强铝合金的参数优化，获得了质量标准达到C级的光纤激光焊接接头，最大抗拉强度达到母材的72％，比电弧焊接接头高11％。开展了高强铝合金光纤激光-MIG复合焊接研究，得到了最优工艺参数范围。研究认为激光与电弧的最佳热源间距范围随焊接电流的增大而增大，采用氦氩混合气体可以获得更大的焊接熔深和更好的焊缝成形。通过熔池受力分析得到了焊缝成形质量控制方法，绘制了成形质量控制图。对高强铝合金光纤激光-MIG复合焊接接头的气孔产生和抑制机理进行了深入分析，得到了气孔抑制方法。分析认为增大小孔直径、提高工件上方温度、增加电弧电流是实现抑制复合焊接接头气孔的有效手段。增大小孔直径、提高工件上方温度能够降低小孔内等离子体密度、稳定激光小孔，实现对气孔的抑制。增加MIG电流能够提

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪 论

2 试验设备、材料与研究方法

3 光纤激光焊接工艺特性及接头性能研究

4 复合焊接工艺与焊接效率的优化

5 复合焊接气孔缺陷与焊缝成形质量控制

6 复合焊接头显微组织特征与演变机理

7 焊丝成分对接头显微组织与性能影响研究

8 全文总结与展望

致 谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录