铝合金脉冲激光焊接研究

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铝合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好等优点,被广泛用作航空航天、汽车等领域的结构材料。采用传统熔焊方法焊接铝合金时容易产生气孔、裂纹及热变形等焊接缺陷。高能束激光焊因具有能量集中、焊接热输入小、热影响区窄、接头变形小等优点,成为铝合金焊接最具有发展前景的方法之一。本文以Nd:YAG脉冲激光器作为焊接热源,针对1mm厚5A05铝合金板,通过正交试验得出了激光焊接该材料最佳焊缝成形参数(焊接电流、脉冲宽度、焊接速度、离焦量)组合,并采用单因素法研究了焊接参数对焊缝成形的影响规律。分析了焊缝中Mg元素分布趋势和焊接参数对Mg烧损的影响规律,同时对接头硬度进行了测定。试验结果表明:随着焊接电流和脉宽的增大,焊缝熔深增大,熔宽先增大后减小;随着焊接速度的增大,熔深减小,熔宽呈先下降再上升的趋势;离焦量在8-10mm时可以获得较大熔深,接头表面成形良好。此外,焊接速度大小对焊缝表面鱼鳞状条纹形貌影响显著。获得理想焊缝成形的焊接电流和焊接速度之间存在一定的匹配关系。Mg烧损率随着焊接电流和脉宽的增加而减少;随着焊接速度和离焦量的增加而增加。受Mg元素含量和冷却速度影响,接头硬度在熔合区附近最大,从焊缝表面到熔池底部硬度先减小再增大。本文建立了脉冲热源模型,利用ANSYS软件对焊接过程温度场、残余应力场进行了模拟;并采用X射线衍射法测定了平板对接接头的焊接残余应力。模拟所得熔池截面形态和焊接残余应力分布趋势均与试验结果吻合良好。模拟结果还显示,温度场等温线形状接近于正圆形,无“尾托”现象;随激光热源的移动,在工件中间区域焊接熔池最高温度低于两端;焊件上某一点的温度随时间出现波峰-波谷-波峰的变化趋势,热沉积作用明显。这部分研究结果对脉冲激光焊接机理研究和进一步开发具有一定的理论意义和应用价值。
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