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1、分类号 学号 M201070724学校代码 1 0 4 8 7 密级 硕士学位论文 5754 铝合金激光填丝搭接 焊缝成形及气孔的研究 学位申请人：王国振 学 科 专 业：材料工程 指 导 教 师：王春明 副教授 答 辩 日 期：2012 年 5 月 26 号 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 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做
3、出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_ _年解密后适用本授权书。 本论文属 于 不保密。 （请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 华 中
4、科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 激光焊接技术具有焊接质量高、精度高、焊件变形小、焊接过程效率高以及无需真空条件等优势，目前成为研究铝合金焊接的热点之一。激光填丝焊接在保留激光自熔焊接优势的基础上，又克服了激光自熔焊接对工件加工和装夹要求高等问题，而且可以通过填入焊丝提高焊缝的成形质量，调整焊缝成分、补充易烧损的金属元素。但是焊丝的加入使得焊接过程变得复杂，因此对于铝合金的激光填丝焊接在国内研究较少。本研究采用先进的 4kW 光纤激光器和具有稳定送丝能力的焊机，研究了搭接形式下，激光填丝焊接 5754 铝合金的焊接性。 研究表明，焊接速度对于焊缝的表面成形的影响最大，焊接速度过小
5、或过大都会得到成形不好的焊缝；而焊缝表面成形质量对激光功率和送丝速度具有较高的容忍度，在较大范围内改变送丝速度和激光功率，都得到了成形良好的焊缝；增加送丝速度，焊缝熔宽变化不明显，焊缝堆高增加。此外，激光功率和焊接速度与焊缝熔深呈线性变化的关系，增大激光功率、减小焊接速度，焊缝熔深线性增加；增加送丝速度，焊缝熔深呈阶梯式减小，减小幅度并不明显。 5754 铝合金是 Al-Mg 系的简单共晶型合金，有 和 两相， 相是 Mg2Al3 化合物， 和 能够形成共晶体。激光填丝焊接 5754 铝合金，得到的典型接头分为母材区、焊缝热影响区和焊缝区。横向硬度从大到小分别是焊缝区、母材区和热影响区，焊缝纵
6、向硬度变化不大；激光焊接焊接速度快，焊缝热影响区很窄，但组织较为粗大，力学性能最差。焊缝区从上部到下部组织分布有区别，上部晶体生长时间较长，有较为粗大的 相晶体生成，下部枝晶和共晶组织分布较为均匀。 焊缝中的工艺气孔对焊缝性能有很大影响，它的形成原因是激光深熔焊接过程中，由于匙孔发生的机械扰动，一部分金属蒸汽形成气泡，焊缝凝固后成为工艺气孔。改变激光功率和焊接速度，会改变熔池中的温度分布从而改变焊缝中匙孔的稳定性，进而影响焊缝中工艺气孔的形成。研究发现，焊接速度越大，气孔率越小； I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文激光功率越大，气孔率越大；在一定范围内改变送丝速度，气孔率变化不
7、大。 最后，在研究了焊接参数对工艺气孔影响的基础上，本文还研究了如何在搭接焊缝中设置合适的间隙来减小工艺气孔。研究发现，预留一定的间隙有利于减小工艺气孔的形成；在合适的间隙条件下，熔池中所形成的气泡通过间隙逃逸出焊缝，从而能够降低工艺气孔的含量。预留一定的间隙，在减小气孔含量的同时，还能够提高搭接焊缝的剪切强度。关键词： 激光焊接；填充焊丝；搭接；焊缝成形；工艺气孔；间隙 II 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract Laser welding has been a hot spot of aluminum welding study which has advant
8、agesof 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 requireme
9、nt 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 a
10、 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 tolerabili
11、ty 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 bead
12、 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 5754
13、 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 organization
15、 is evenly distributed. III 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 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 thew
16、elding 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 porosi
17、ty 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 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 目 录摘
19、要. IAbstract .III第一章 绪论1.1 前言. 11.2 铝合金先进焊接技术 . 21.3 激光焊接原理与光纤激光器的简介 . 41.4 激光填丝焊接的优势和关键技术 . 61.5 本研究主要内容 . 9第二章 工艺参数对铝合金激光填丝搭接焊接焊缝成形的影响2.1 试验准备及方法 . 112.2 激光功率对焊缝表面成形及熔深的影响 . 152.3 焊接速度对焊缝表面成形及熔深的影响 . 182.4 送丝速度对焊缝表面成形及熔深的影响 . 212.5 本章小结. 24第三章 焊缝组织特征3.1 铝合金焊接冶金原理与焊缝组织 . 263.2 铝合金激光填丝搭接接头的显微硬度 . 30
20、3.3 本章小结. 32第四章 工艺参数对铝合金激光填丝搭接焊接焊缝气孔的影响4.1 铝合金激光填丝焊接过程中的气孔问题 . 334.2 试验准备及方法 . 344.3 激光功率对焊缝气孔的影响 . 35 V 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文4.4 焊接速度对焊缝气孔的影响 . 374.5 送丝速度对焊缝气孔的影响 . 394.6 本章小结. 41第五章 间隙对铝合金激光填丝搭接焊缝气孔的影?.1 减小工艺气孔含量的方法 . 435.2 试验准备及方法 . 445.2 间隙对气孔的减小作用及机理 . 455.3 间隙对搭接焊缝力学性能的影响 . 495.4 本章小结. 52第六章
21、 全文总结与展望6.1 主要结论. 546.2 建议与展望. 55致 谢. 57参考文献. 58附录 作者攻读硕士学位期间论文发表情况 . 61 VI 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 第一章 绪论1.1 前言 CO2 排放量超标、全球气温变暖等环境问题的出现，与现代化的交通工具，特别是轿车，大量使用化石燃料有密切关系1。轿车行业正朝着节能、安全、环保的方向发展。如何减轻轿车材料的质量，是实现轿车节能、环保的有效途径之一。为了代替沉重的钢制材料，采用高性能的轻质铝合金材料已成为轿车工业关注的焦点2。 5754 铝合金具有中等强度、优良的耐蚀性、焊接性能及易于加工成形等特点，是 A
22、l-Mg 系合金中的典型合金。5754 铝合金抗拉性能 b 为 165 MPa265 MPa。在国外，不同状态的 5754 铝合金板材是汽车制造业（轿车车门、模具、密封件）、制罐工业所用的主要材料3。欧美国家在全铝制汽车车身制造方面，已经进入实质的生产阶段。德国大众公司的 Audi A8 车身空间框架使用大量铝制结构件使整车质量减少了 40，单体铝制结构使用量达 385kg4，如图 1-1 所示；美国福特公司的 Ford AIV由于采用冲压铝制车身结构，车架结构部分减重 145kg，车身覆盖件减重 53kg，整车使用铝制材料 270kg，可以减重 320kg5，如图 1-2 所示。 图 1-1
23、 Audi A8 铝型材框架结构图4 图 1-2 Ford AIV 板材壳体车身构造5 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文1.2 铝合金先进焊接技术 目前生产中常用的铝合金焊接方法有惰性气体保护焊（MIG 焊）、钨极氩弧焊（TIG）等，在较好的保护条件下，虽然可以得到良好成形的焊缝接头，但是弧焊有能量密度不集中、熔透能力差的缺点，这样焊接过程中总的热输入就过大，会导致有较大的焊接变形，而且生产效率也会降低；另外，弧焊的焊接接头强度不高也是一直难以克服的缺点。近年来兴起了很多先的焊接方法，比如搅拌摩擦焊接、电子束焊接和激光焊接等，使用这些先进的焊接方法进行铝合金焊接成为当下的热门
24、研究方向。1.2.1 搅拌摩擦焊接 1991 年，英国焊接研究所 TWI 提出了一种新的焊接方法，搅拌摩擦焊 FSW（Friction Stir Welding）。它通过高速旋转的搅拌头与被焊接材料之间剧烈的热机联合作用，实现材料的固相连接，如图 1.3。搅拌摩擦焊接过程中，金属材料没有熔化过程的发生，全部是固态连接，所以焊接时不存在熔焊时诸如气孔、夹渣、咬边等的缺陷，对于铝合金等很难焊接的有色金属的焊接非常有效。目前，搅拌摩擦焊接对于厚度在 0.8100mm 的铝合金材料可以实现单道焊，而双道焊接可以达到 180mm厚的材料对接。 图 1-3 搅拌摩擦焊接示意图 2 华 中 科 技 大 学
25、硕 士 学 位 论 文 搅拌摩擦焊接有自己独特的优势，能够获得力学性能好的焊接接头，焊接过程产生的热量少所以可以获得焊后残余应力和应变小的焊接接头，焊接成本低，而且焊接过程中没有熔焊过程中产生的飞溅、烟尘以及弧光辐射等剧烈的现象发生。 但是，随着搅拌摩擦焊接技术被不断研究和发展，其应用领域逐渐扩大的同时，也突显出一些局限性：（1）焊接速度与弧焊相比相对较低；（2）要求被焊接的工件有一定的刚度，能够承受焊接过程中对焊缝施加的巨大顶锻压力，同时这也限制了 （3）搅拌摩擦焊接结束后，由于搅拌头要回抽，其在机器人等自动化?璞干系挠茫缓缝的末端会留有搅拌孔，必要时需要加上引焊板和退焊板；1.2.2 电子
26、束焊接 在真空的环境下，将会聚的高速电流轰击焊缝，利用产生热能使得被焊接金属熔化的焊接方法，叫做电子束焊接。 与传统焊接相比，电子束焊接具有能量密度高的优势，能量密度要比弧焊高 34个数量级；焊接接头热影响区非常窄，接头的强度有很大提高；同时由于焊接能量密度高，总的热输入量低，焊后焊件的残余应力小，变形小；特别对于铝合金焊接，焊接接头抗裂性能高，而且由于真空环境，焊缝杂质含量低。 对于电子束焊接，最大的约束条件就是焊接过程都要在真空环境下进行，一方面限制了大型铝合金结构件的焊接，一方面大大提高了焊接成本，降低了其大规模工业应用的可能性；另外，对于铝合金的电子束焊接，会有焊缝气孔多、焊接厚板时对
27、电子束流要求高等问题出现。1.2.3 激光焊接 激光焊接技术（Laser Welding）具有质量高、精度高、变形低、效率高和速度快等独特优势，而且无需真空条件，经过近几十年的发展后，其应用领域已覆盖到了包括航空、航天、汽车、电子等新型工业领域6-22以及传统的船舶等重工业领域23-29。与传统焊接方式相比，激光焊接具有以下独特的优点： 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 热输入量小，热影响区域小，工件变形小；线能量大，深宽比大； 焊接速度快，生产效率大幅提高； 将激光器与机器人集成后，焊接的可持续性和可重复性高，易于实现自动化焊接； 焊接表面成形好，强度高； 激光束控制自由度
28、较大，能够焊接到其他焊接方法无法达到的位置。 铝合金的激光焊接难点主要在于铝合金表面对激光反射率高、吸收率低。虽然铝合金对激光的吸收率低，但实际焊接过程中可以通过使用激光束密集的高功率激光器以及高精度激光头，比如本研究所使用的 4kW 光纤激光器和高精度 Precitec 激光头，成形深熔焊来提高铝合金对激光能量的吸收率。另外，铝合金的激光焊接容易形成一些有色金属焊接特有的缺陷，焊接接头中极易出现气孔，下面也将会讲到，还有就是容易出现热裂纹，以及表面成形不良等缺陷。本研究也会就这些问题做一些探索，找出解决方法。1.3 激光焊接原理与光纤激光器的简介1.3.1 激光焊接原理简介 激光焊接的焊接模式分为热导焊和深熔焊两种。当激光功率密度为 105W/cm2 左右时，由于激光的功率密度较低，热传导、对流及辐射的散热速率与功率的输入速率达到平衡，激光辐射的能量只作用于材料的表面，激光被材料表面吸收的能量转化为热量，接着表面的热量通过热传导的方式扩散到材料内部，使材料熔化的同时在两材料连接处形成熔池。当激光扫过焊缝熔池后，熔池中的液态金属温度降低从而凝固，将两材料连接起来，这种焊接方式叫做热导焊。由于此种.
