鋁合金激光填絲搭接焊縫成形及氣孔的研究

1、.分類(lèi)號(hào) 學(xué)號(hào) M201070724學(xué)校代碼 1 0 4 8 7 密級(jí) 碩士學(xué)位論文 5754 鋁合金激光填絲搭接 焊縫成形及氣孔的研究 學(xué)位申請(qǐng)人：王國(guó)振 學(xué) 科 專(zhuān) 業(yè)：材料工程 指 導(dǎo) 教 師：王春明 副教授 答 辯 日 期：2012 年 5 月 26 號(hào) A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of EngineeringStudy on the formation and porosity of 5754 aluminum alloy by laser

2、 lap welding with filler wire Candidate: Wang Guozhen Major : Materials Engineering Supervisor: Ass. Prof. Wang Chunming Huazhong University of Science and Technology Wuhan，430074，P. R. China May. 2012 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究

3、做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到，本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密 ，在_ _年解密后適用本授權(quán)書(shū)。 本論文屬 于 不保密。 （請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“”）學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 華 中

4、 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 摘 要 激光焊接技術(shù)具有焊接質(zhì)量高、精度高、焊件變形小、焊接過(guò)程效率高以及無(wú)需真空條件等優(yōu)勢(shì)，目前成為研究鋁合金焊接的熱點(diǎn)之一。激光填絲焊接在保留激光自熔焊接優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，又克服了激光自熔焊接對(duì)工件加工和裝夾要求高等問(wèn)題，而且可以通過(guò)填入焊絲提高焊縫的成形質(zhì)量，調(diào)整焊縫成分、補(bǔ)充易燒損的金屬元素。但是焊絲的加入使得焊接過(guò)程變得復(fù)雜，因此對(duì)于鋁合金的激光填絲焊接在國(guó)內(nèi)研究較少。本研究采用先進(jìn)的 4kW 光纖激光器和具有穩(wěn)定送絲能力的焊機(jī)，研究了搭接形式下，激光填絲焊接 5754 鋁合金的焊接性。 研究表明，焊接速度對(duì)于焊縫的表面成形的影響最大，焊接速度過(guò)

5、小或過(guò)大都會(huì)得到成形不好的焊縫；而焊縫表面成形質(zhì)量對(duì)激光功率和送絲速度具有較高的容忍度，在較大范圍內(nèi)改變送絲速度和激光功率，都得到了成形良好的焊縫；增加送絲速度，焊縫熔寬變化不明顯，焊縫堆高增加。此外，激光功率和焊接速度與焊縫熔深呈線(xiàn)性變化的關(guān)系，增大激光功率、減小焊接速度，焊縫熔深線(xiàn)性增加；增加送絲速度，焊縫熔深呈階梯式減小，減小幅度并不明顯。 5754 鋁合金是 Al-Mg 系的簡(jiǎn)單共晶型合金，有 和 兩相， 相是 Mg2Al3 化合物， 和 能夠形成共晶體。激光填絲焊接 5754 鋁合金，得到的典型接頭分為母材區(qū)、焊縫熱影響區(qū)和焊縫區(qū)。橫向硬度從大到小分別是焊縫區(qū)、母材區(qū)和熱影響區(qū)，焊縫

6、縱向硬度變化不大；激光焊接焊接速度快，焊縫熱影響區(qū)很窄，但組織較為粗大，力學(xué)性能最差。焊縫區(qū)從上部到下部組織分布有區(qū)別，上部晶體生長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng)，有較為粗大的 相晶體生成，下部枝晶和共晶組織分布較為均勻。 焊縫中的工藝氣孔對(duì)焊縫性能有很大影響，它的形成原因是激光深熔焊接過(guò)程中，由于匙孔發(fā)生的機(jī)械擾動(dòng)，一部分金屬蒸汽形成氣泡，焊縫凝固后成為工藝氣孔。改變激光功率和焊接速度，會(huì)改變?nèi)鄢刂械臏囟确植紡亩淖兒缚p中匙孔的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響焊縫中工藝氣孔的形成。研究發(fā)現(xiàn)，焊接速度越大，氣孔率越?。?I 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文激光功率越大，氣孔率越大；在一定范圍內(nèi)改變送絲速度，氣孔率變化

7、不大。 最后，在研究了焊接參數(shù)對(duì)工藝氣孔影響的基礎(chǔ)上，本文還研究了如何在搭接焊縫中設(shè)置合適的間隙來(lái)減小工藝氣孔。研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)留一定的間隙有利于減小工藝氣孔的形成；在合適的間隙條件下，熔池中所形成的氣泡通過(guò)間隙逃逸出焊縫，從而能夠降低工藝氣孔的含量。預(yù)留一定的間隙，在減小氣孔含量的同時(shí)，還能夠提高搭接焊縫的剪切強(qiáng)度。關(guān)鍵詞： 激光焊接；填充焊絲；搭接；焊縫成形；工藝氣孔；間隙 II 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 Abstract Laser welding has been a hot spot of aluminum welding study which has advan

8、tagesof high welding quality high accuracy small distortion of weldment high efficiency andno need of vacuum condition. Except for the advantages of laser autogenous weldinglaser welding with filler wire has not only overcome some problem of laser autogenouswelding such as the high accuracy requirem

9、ent of weldment processing and clamping butalso been able to adjust welding component and add the metallic element loss. Howeverthe filler wire makes the welding process complex and there are few researches ofaluminum laser welding with filler wire inland. This study used an advanced fiber laserand

10、a welding machine with stable feeding ability to research the weldability of 5754aluminum laser lap welding with filler wire. Welding speed had big effect on the weld shape quality. Bad weld shape was gotwhen the welding speed was too high or too low. However the weld shape quality hadhigh tolerabil

11、ity of the laser power and wire feed rate. Good weld shape was got when thelaser power and wire feed rate were changed during a big range. When wire feed rateincreased the bead width changed little and the bead tall increased. Otherwise laserpower and welding speed had a linear relation with the bea

12、d penetration. Adding laserpower or decreasing welding speed the bead penetration increased linearly. Adding wirefeed rate the bead penetration decreased in ladder form. 5754 aluminum alloy is a kind of Al-Mg series eutectic alloy with and two- phase.The phase is Mg2Al3 compound. Typical weld of 575

13、4 aluminum alloy laser welding canbe divided into base material zone heat affected zone HAZ and weld zone. Thehorizontal hardness from big to small is weld zone base material zone and HAZ. Thelongitudinal hardness of weld zone changes little. Because of the high welding speed theHAZ of laser welding

14、 is very narrow. However the microstructure in HAZ is coarser andthe mechanical property is the worst. The microstructure of the weld zone from top tobottom is different. The growth time of top crystal is longer and there is coarser phasegenerating. The bottom branch crystal and eutectic organizatio

15、n is evenly distributed. III 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 Technology pore in the bead has bad influence on the bead property. In laserpenetration welding some part of metal vapor traps into bubbles due to the mechanicaldisturbance of the key hole. Then the bubbles transform into technology pores when the

16、welding bead solidifies. When laser power and welding speed change the temperaturedistribution in the weld pool also changes and this affects the stability of the key hole. Thestudy found that increasing the welding speed can decrease the porosity rate andincreasing the laser power can add the poros

17、ity rate. The change of the wire feed ratewithin a certain range had little effect on the porosity rate. At last based on the research above how to set a proper gap in the lap bead in orderto decrease the porosity rate was studied. The research found that prefabrication of aproper gap was beneficial

18、 to decrease the porosity rate. Under a proper gap the bubblesforming in the weld pool escaped from the bead and this decreased the porosity rate. Atthe same time the shear stress was improved.Key words：laser welding filler wire lap weld bead shape technology pore gap IV 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 目 錄摘

19、 要. IAbstract .III第一章 緒論1.1 前言. 11.2 鋁合金先進(jìn)焊接技術(shù) . 21.3 激光焊接原理與光纖激光器的簡(jiǎn)介 . 41.4 激光填絲焊接的優(yōu)勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù) . 61.5 本研究主要內(nèi)容 . 9第二章 工藝參數(shù)對(duì)鋁合金激光填絲搭接焊接焊縫成形的影響2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及方法 . 112.2 激光功率對(duì)焊縫表面成形及熔深的影響 . 152.3 焊接速度對(duì)焊縫表面成形及熔深的影響 . 182.4 送絲速度對(duì)焊縫表面成形及熔深的影響 . 212.5 本章小結(jié). 24第三章 焊縫組織特征3.1 鋁合金焊接冶金原理與焊縫組織 . 263.2 鋁合金激光填絲搭接接頭的顯微硬度 . 3

20、03.3 本章小結(jié). 32第四章 工藝參數(shù)對(duì)鋁合金激光填絲搭接焊接焊縫氣孔的影響4.1 鋁合金激光填絲焊接過(guò)程中的氣孔問(wèn)題 . 334.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備及方法 . 344.3 激光功率對(duì)焊縫氣孔的影響 . 35 V 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文4.4 焊接速度對(duì)焊縫氣孔的影響 . 374.5 送絲速度對(duì)焊縫氣孔的影響 . 394.6 本章小結(jié). 41第五章 間隙對(duì)鋁合金激光填絲搭接焊縫氣孔的影響5.1 減小工藝氣孔含量的方法 . 435.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備及方法 . 445.2 間隙對(duì)氣孔的減小作用及機(jī)理 . 455.3 間隙對(duì)搭接焊縫力學(xué)性能的影響 . 495.4 本章小結(jié). 52第

21、六章 全文總結(jié)與展望6.1 主要結(jié)論. 546.2 建議與展望. 55致 謝. 57參考文獻(xiàn). 58附錄 作者攻讀碩士學(xué)位期間論文發(fā)表情況 . 61 VI 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 第一章 緒論1.1 前言 CO2 排放量超標(biāo)、全球氣溫變暖等環(huán)境問(wèn)題的出現(xiàn)，與現(xiàn)代化的交通工具，特別是轎車(chē)，大量使用化石燃料有密切關(guān)系1。轎車(chē)行業(yè)正朝著節(jié)能、安全、環(huán)保的方向發(fā)展。如何減輕轎車(chē)材料的質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)轎車(chē)節(jié)能、環(huán)保的有效途徑之一。為了代替沉重的鋼制材料，采用高性能的輕質(zhì)鋁合金材料已成為轎車(chē)工業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)2。 5754 鋁合金具有中等強(qiáng)度、優(yōu)良的耐蝕性、焊接性能及易于加工成形等特點(diǎn)，是

22、 Al-Mg 系合金中的典型合金。5754 鋁合金抗拉性能 b 為 165 MPa265 MPa。在國(guó)外，不同狀態(tài)的 5754 鋁合金板材是汽車(chē)制造業(yè)（轎車(chē)車(chē)門(mén)、模具、密封件）、制罐工業(yè)所用的主要材料3。歐美國(guó)家在全鋁制汽車(chē)車(chē)身制造方面，已經(jīng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)的生產(chǎn)階段。德國(guó)大眾公司的 Audi A8 車(chē)身空間框架使用大量鋁制結(jié)構(gòu)件使整車(chē)質(zhì)量減少了 40，單體鋁制結(jié)構(gòu)使用量達(dá) 385kg4，如圖 1-1 所示；美國(guó)福特公司的 Ford AIV由于采用沖壓鋁制車(chē)身結(jié)構(gòu)，車(chē)架結(jié)構(gòu)部分減重 145kg，車(chē)身覆蓋件減重 53kg，整車(chē)使用鋁制材料 270kg，可以減重 320kg5，如圖 1-2 所示。 圖 1

23、-1 Audi A8 鋁型材框架結(jié)構(gòu)圖4 圖 1-2 Ford AIV 板材殼體車(chē)身構(gòu)造5 1 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文1.2 鋁合金先進(jìn)焊接技術(shù) 目前生產(chǎn)中常用的鋁合金焊接方法有惰性氣體保護(hù)焊（MIG 焊）、鎢極氬弧焊（TIG）等，在較好的保護(hù)條件下，雖然可以得到良好成形的焊縫接頭，但是弧焊有能量密度不集中、熔透能力差的缺點(diǎn)，這樣焊接過(guò)程中總的熱輸入就過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致有較大的焊接變形，而且生產(chǎn)效率也會(huì)降低；另外，弧焊的焊接接頭強(qiáng)度不高也是一直難以克服的缺點(diǎn)。近年來(lái)興起了很多先的焊接方法，比如攪拌摩擦焊接、電子束焊接和激光焊接等，使用這些先進(jìn)的焊接方法進(jìn)行鋁合金焊接成為當(dāng)下的

24、熱門(mén)研究方向。1.2.1 攪拌摩擦焊接 1991 年，英國(guó)焊接研究所 TWI 提出了一種新的焊接方法，攪拌摩擦焊 FSW（Friction Stir Welding）。它通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與被焊接材料之間劇烈的熱機(jī)聯(lián)合作用，實(shí)現(xiàn)材料的固相連接，如圖 1.3。攪拌摩擦焊接過(guò)程中，金屬材料沒(méi)有熔化過(guò)程的發(fā)生，全部是固態(tài)連接，所以焊接時(shí)不存在熔焊時(shí)諸如氣孔、夾渣、咬邊等的缺陷，對(duì)于鋁合金等很難焊接的有色金屬的焊接非常有效。目前，攪拌摩擦焊接對(duì)于厚度在 0.8100mm 的鋁合金材料可以實(shí)現(xiàn)單道焊，而雙道焊接可以達(dá)到 180mm厚的材料對(duì)接。 圖 1-3 攪拌摩擦焊接示意圖 2 華 中 科 技 大

25、學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 攪拌摩擦焊接有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠獲得力學(xué)性能好的焊接接頭，焊接過(guò)程產(chǎn)生的熱量少所以可以獲得焊后殘余應(yīng)力和應(yīng)變小的焊接接頭，焊接成本低，而且焊接過(guò)程中沒(méi)有熔焊過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺、煙塵以及弧光輻射等劇烈的現(xiàn)象發(fā)生。 但是，隨著攪拌摩擦焊接技術(shù)被不斷研究和發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大的同時(shí)，也突顯出一些局限性：（1）焊接速度與弧焊相比相對(duì)較低；（2）要求被焊接的工件有一定的剛度，能夠承受焊接過(guò)程中對(duì)焊縫施加的巨大頂鍛壓力，同時(shí)這也限制了 （3）攪拌摩擦焊接結(jié)束后，由于攪拌頭要回抽，其在機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備上的應(yīng)用；焊縫的末端會(huì)留有攪拌孔，必要時(shí)需要加上引焊板和退焊板；1.2.2 電子束焊接 在真空的環(huán)境下，將會(huì)聚的高速電流轟擊焊縫，利用產(chǎn)生熱能使得被焊接金屬熔化的焊接方法，叫做電子束焊接。 與傳統(tǒng)焊接相比，電子束焊接具有能量密度高的優(yōu)勢(shì)，能量密度要比弧焊高 34個(gè)數(shù)量級(jí)；焊接接頭熱影響區(qū)非常窄，接頭的強(qiáng)度有很大提高；同時(shí)由于焊接能量密度高，總的熱輸入量低，焊后焊件的殘余應(yīng)力小，變形??；特別對(duì)于鋁合金焊接，焊接接頭抗裂性能高，而且由于真空環(huán)境，焊縫雜質(zhì)含量低。 對(duì)于電子束焊接，最大的約束條件就是焊接過(guò)程都要在真空環(huán)境下進(jìn)行，一方面限制了大型鋁合金結(jié)構(gòu)件的焊接，一方面大大