鎂合金低功率激光-氬弧復(fù)合焊接技術(shù)的研究.pdf

1、鎂合金具有密度低、比強度和比剛度高、電磁屏蔽和抗輻射性能好以及易回收等一系列優(yōu)點，被稱為二十一世紀的綠色工程材料，在航天航空、汽車、電子等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。我國作為鎂資源大國，鎂合金的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用已成為國家科技戰(zhàn)略發(fā)展目標之一。在鎂合金的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用過程中，連接技術(shù)始終是關(guān)鍵。因此開發(fā)優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、降耗的鎂合金先進連接技術(shù)已成為國內(nèi)外研究的熱點。鎂合金低功率激光-電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)的研究便是在這種背景下產(chǎn)生的。 1.提出

2、鎂合金低功率激光-氬弧復(fù)合熱源焊接工藝，采用500W摻釹釔鋁石榴石(Nd：YAG)固體脈沖激光器與鎢極交流電弧(以下簡稱TIG)相復(fù)合，建立復(fù)合熱源焊接系統(tǒng)。以 AZ31B、 AZ61、 AZ91D 鎂合金為主要研究對象，進行鎂合金低功率復(fù)合熱源焊接工藝研究，系統(tǒng)分析焊接參數(shù)對鎂合金焊縫成形以及激光與電弧復(fù)合增強效果的影響。試驗結(jié)果表明，采用低功率激光-氬弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn) AZ31B、AZ61、AZ91D 鎂合金良好連接，焊接

3、接頭表面成形連續(xù)致密，沒有飛濺、裂紋、氣孔等表面缺陷。在優(yōu)化的工藝條件下，低功率激光-電弧復(fù)合熱源焊接接頭熔深可達 TIG焊接接頭熔深的2倍，激光單獨焊接的4倍以上；焊接速度可達TIG焊接速度的3～5倍，能夠?qū)崿F(xiàn)鎂合金的高效、低成本連接。通過分析激光與電弧相互作用形態(tài)發(fā)現(xiàn)，在低功率復(fù)合熱源焊接過程中，激光脈沖與焊接電弧之間存在三種作用方式，即激光脈沖分別作用于交流電弧正半波、負半波及交流電弧過零點處。根據(jù)此現(xiàn)象提出鎂合金低功率激光與交流

4、電弧相互作用模型。根據(jù)工藝試驗結(jié)果以及激光與電弧相互作用特點，首次提出鎂合金低功率激光誘導(dǎo)交流電弧負半波放電理論。 2.利用現(xiàn)代化分析檢測手段分析同種和異種鎂合金復(fù)合熱源焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能。鎂合金焊接接頭微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)，由于復(fù)合熱源焊接工藝具有焊接速度快，熱輸入小等特點，鎂合金具有高的熱傳導(dǎo)率，因此鎂合金復(fù)合焊接接頭呈典型的鑄態(tài)激冷組織，焊縫由細小等軸晶組成。AZ31B焊接接頭無明顯的熱影響區(qū)存在，而AZ61、AZ9

5、1D焊接接頭發(fā)現(xiàn)存在較寬熱影響區(qū)。這是因為在Al含量較高的鎂合金焊接接頭中存在大量低熔點的β(Mg<,17>Al<,12>)相，根據(jù)p(Mg<,17>Al<,12>)相析出的數(shù)量和形態(tài)，本文將AZ91D鎂合金焊接接頭熱影響區(qū)分為三部分，即晶界浮凸區(qū)(Ⅰ)、粒狀β相析出區(qū)(Ⅱ)、帶狀β相形成區(qū)(Ⅲ)。鎂合金復(fù)合焊接接頭具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，以AZ31B為例，鎂合金AZ31B復(fù)合焊接接頭的拉伸強度可達到母材的95％～100％，疲勞強度與母

6、材的疲勞強度相當(dāng)。AZ31B與AZ61和AZ91D異種鎂合金復(fù)合熱源焊接接頭的微觀組織均勻，由細小等軸晶粒組成，焊接接頭的拉伸強度略高于AZ31B鎂合金母材。 3．鎂合金高速焊接過程中容易產(chǎn)生氣孔，氣孔的存在不僅削弱焊縫的有效工件截面，同時也會帶來應(yīng)力集中，對焊接接頭性能產(chǎn)生重要影響。復(fù)合熱源焊接過程中，焊接熔池存在空氣侵入?yún)^(qū)以及激光束將空氣及保護氣體卷入到焊縫熔池的底部，從而形成宏觀氣孔。根據(jù)復(fù)合熱源焊接特點以及鎂合金自身的特

7、性，本文構(gòu)建了鎂合金復(fù)合熱源焊接氣孔形成過程模型。依據(jù)氣孔產(chǎn)生原因，設(shè)計了兩種激光束氣體保護方式，即同軸氣體保護和側(cè)向氣體保護方式。通過分析兩種氣體保護方式對電弧形態(tài)、焊縫氣孔數(shù)量的影響，提出鎂合金復(fù)合焊接激光束側(cè)向氣體保護方法，該方法能顯著降低鎂合金焊接接頭氣孔含量。 4．利用數(shù)值模擬和紅外測溫相結(jié)合的方法，開展鎂合金復(fù)合熱源焊接溫度場研究。即利用紅外測溫方法所獲得的弧光干擾區(qū)外的準確溫度場信息校正數(shù)值模擬計算參數(shù)、材料物性參