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1420铝锂合金激光焊接气孔抑制技术

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收稿日期:2007-05-25

基金项目:国家科技部支撑项目(2006BAF04B10);黑龙江省自然科学基金项目(ZJG0601)3参加此项研究工作的还有秦国梁,林尚扬

1420铝锂合金激光焊接气孔抑制技术王　威,　徐广印,　王旭友,　雷　震3(机械科学研究总院哈尔滨焊接研究所,哈尔滨　150080)

摘　要:分别采用气体和固体两种类型、三台激光器对1420铝锂合金消除气孔的焊接工艺进行了试验研究。结果表明,1420铝合金表面氧化膜对产生气孔有很大影响,化学清理可以获得气孔较少的焊缝。保护气体种类、气体流量、焊接速度对1420铝锂合金气孔都有影响。适宜的双激光束焊接工艺可以获得成形美观且无气孔的优质1420铝锂合金焊缝,是1420铝锂合金焊接较为理想的焊接工艺。关键词:铝锂合金;激光焊接;气孔;双光斑焊接中图分类号:TG456.7 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2008)02-0005-04

王　威

0　序 言铝锂合金作为一种新型的铝合金材料,具有低密度、高弹性模量、高强度和优良的综合物理性能。与普通铝合金相比,在强度相当的情况下,密度降低近10%,弹性模量却提高约10%,对航空航天工业有着巨大的吸引力。激光焊接1420铝锂合金时存在严重的气孔倾向,即使采用其它成熟熔焊方法的焊前清理措施,还是经常出现气孔缺陷。国内外针对激光焊接铝合金气孔的成因进行了大量的研究,主要是从材料表面层的影响、合金元素的影响和激光深熔焊接时匙孔稳定性的影响着手[1-3]。一般认为,氢是铝锂合金激光焊接过程中微小气孔的主要成因,而低沸点合金元素的蒸发以及匙孔末梢的不稳定波动是尺寸较大的不规则形状气孔的主要成因。文中采用激光高速焊接和氮气保护来抑制气孔的产生,最后又采用双光斑焊接得到了成形美观无气孔的优质焊缝。1　试验方法采用三种激光器对激光焊接1420铝锂合金气孔抑制问题进行了研究。首先使用德国HAAS公司生产的HL2006D型大功率连续输出Nd:YAG固体激光器研究了焊前清理方法、氩气流量和工艺参数的匹配对激光焊接1420铝锂合金气孔的影响。激光器最大输出功率2.6kW,波长1.06μm,当使用焦距为200mm的焊接枪时,光束聚焦最小直径0.6mm。第二种激光器为英国Lumonics公司生产的AM356型4kW的连续YAG激光器。第三种激光器采用德国Rofin公司3kW的Slab-CO2激光加工系统。双光斑是通过分光镜得到的,试验中将单束激光分为间距为0.6mm的两束。能量比可通过增加垫片进行调节,试验采用能量比为1.2∶1(前面的光斑功率较大)的串行双光斑在速度较低的条件下进行。试验主要针对2.5mm厚的铝锂合金板材,焊前先采用表1中化学清理2方法清洗表面,去除厚度约0.15mm。表面清理完毕即进行焊接。正背面Ar保护预吹5s。

2　气孔消除技术2.1　基础试验试验采用德国HAAS公司的2kW固体激光器。表面清理方法对焊缝气孔影响的试验结果见表1,

从表1中很明显地看出表面清理方法以化学清洗效果最佳,优于机械清理方法,表面层去除厚度以大于0.15mm为宜。这样后续试验都采用表1中化学清理2的方法对合金表面进行制备。其它参数不变时,氩气流量对气孔量的影响见图1,图中的气孔个数是以55mm长的焊缝为单位统计得到的,从气孔分布情况及焊缝成形看,气流量以20～25L/min为宜,过大会影响焊缝的成形,过小则保护效果不好,可能是吸收了周围环境气体中的水分,导致气孔量增多。

第29卷第2期2008年2月焊　接　学　报TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONVol.29　No.2February　2008

© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net表1　表面清理方法对焊缝气孔的影响

Table1　Effectofsurfacecleaningonporesinweld氧化膜清理类别氧化膜清理方法表层去除厚度气孔分布情况

化学清理1

5%～8%NaOH(5min),30%HNO3(<1min),温水

冲洗,风干0.05mm连续分布的气孔,熔合线附近居多,直径0.1～0.4mm

化学清理2

60～70℃的30%～50%NaOH(5min),温水冲洗,

15%的HNO3(<1min),温水冲洗,风干0.15mm未发现微小气孔,7个气孔,直径0.4mm左右

化学清理3

60～70℃的30%-50%NaOH(8～10min),温水

冲洗,15%的HNO

3(<1min)

,温水冲洗,风干

0.30mm未发现微小气孔,4个气孔,直径0.4mm左右

机械清理1用砂轮清理试件表面两次0.30mm连续分布的气孔,熔合线附近居多,直径0.1-0.3mm

机械清理2用砂轮清理试件表面一次0.15mm连续分布的气孔,熔合线附近居多,直径0.1-0.3mm

机械清理+

化学清理用刮刀清理试件表面,再用30%HNO3光亮处理

(<1min),温水冲洗,风干

0.10mm少量气孔,不均匀分布,直径0.1-0.3mm

图1　氩气流量对气孔量的影响Fig.1　Effectofargongasfluxonporesinweld

功率和速度的匹配对气孔量也有影响。其它参数不变,仅改变速度和功率的匹配(图2),可见,功率在1600～2000W,速度在1.0～4.0m/min的范围内,

随着功率和速度的增大,气孔量有减少的趋势。

图2　焊接速度和功率对气孔量的影响Fig.2　Effectofweldingspeedandlaserpoweronporesinweld

2.2　高速焊接消除气孔通过图2可得到较高的焊接速度对减少铝锂合

金焊缝气孔有帮助,但是受到激光器功率的限制(图2采用2kW的YAG激光器),无法再进一步研究更高焊接速度对气孔的影响。因此,文中又采用4kW

的YAG激光器进一步研究高功率、高速度对焊缝气孔的影响,结果见图3,图中的气孔个数是以90mm

长的焊缝为单位统计得到的。从图3中可以看出,高功率、高速度的激光焊接工艺对减少焊缝气孔是有帮助的,当激光功率在3000～4000W,焊接速度在3.9～5.1m/min的范围变化时,易得到没有气孔的焊缝。速度过高,气孔又呈现出增加的趋势,可能与高速焊接时焊缝保护不好有关系。另外,试验中观察到无气孔焊缝很多都是在匙孔穿透状态下得到的,也就是说薄板的穿透焊接对减少气孔是有利的。

图3　高速高功率焊接对气孔量的影响Fig.3　Effectofhighspeedandhighlaserpowerweldingonporesinweld

2.3　N2保护消除气孔

采用N2做保护气体对铝合金进行焊接时,激光和等离子体相互作用,使匙孔周期性的开合,达到和

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焊　接　学　报第29卷

© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net激光脉冲功率调制类似的作用,另一方面,焊接过程中保护气体和液态铝作用,可以很容易地生成AlN,

而AlN可能覆在熔池表面稳定液体的流动[4,5],从

而达到抑制气孔产生的目的。试验准备同上节。焊件的X射线探测气孔的典型形貌如图4所示,可以看到,除图4b外均未发现气孔。原因之一可能是等离子体的影响,图4b有少量的气孔产生,而它属于匙孔部分穿透型的,这种情况下匙孔末梢的不稳定波动有可能导致气泡产生,如果熔池流动形式不利于气泡的浮出,或者熔池结晶速度过快,气泡上浮的时间不足,那么最终会残留在焊缝中成为气孔缺陷。

图4　N2保护下典型焊缝X射线形貌Fig.4　X2raynegativeofweldforN2shieldinglaserwelding

可以看到,经过适当的表面清理后,采用高速度焊接和N2保护的方法都得到了无气孔的焊缝,但是焊缝的表面成形都不是很平整,经常有下凹、咬边等缺陷,如图5所示,这些问题必须得到解决,否则将会直接影响接头的力学性能。此外,由于匙孔的稳定性较难控制,这两种方法对工艺要求比较严格,参数范围不好掌握,适应性不是很强。考虑到这几点,

作者采用了双光斑新工艺方法对1420铝锂合金进行了焊接试验研究。2.4　双光斑消除气孔采用双光斑进行焊接时,两束光间距适合时可以形成较大尺寸的匙孔,增加了匙孔的稳定性,改善熔池的流动,有益于气孔的逸出,对防止气孔产生有益的影响。试验结果见图6,焊后X射线探伤表明没有气孔产生。双光斑焊接的另外一个显而易见的优点就是表面成形很好,只要参数合适,就不会有下凹、咬边这些单激光焊接时常见的缺陷,并且无飞溅。

图5　Ar和N2保护的单激光焊接焊缝Fig.5　ContrastArshieldingweldwithN2shieldingweld

图6　双光斑焊接1420铝锂合金Fig.6　1420Al2Lialloyweldweldedbyduallaserbeams

3　结 论(1)表面层的清理以化学清理为最佳,表层厚

度去除应在0.15mm以上。(2)选择工艺参数时,气流量以20～

25L/min

为宜,过大将影响焊缝成形,过小则保护效果不好;

随着焊接速度的提高和功率的增大,气孔量有减小的现象。(3)高速焊接时,由于改善了熔池的流动形式

,

[下转第26页]

第2期王　威,等:1420铝锂合金激光焊接气孔抑制技术7

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激光焊接技术

激光焊接技术


图333 不同焊接参数与熔深的关系
为使焊缝平整光滑，实际焊接时，激光功率在开 始和结束时都设计有渐变过程，启动时激光功率 由小变大到预定值，结束焊接时激光功率由大变 小，焊缝才没有凹坑或斑痕。
二、激光脉冲宽度
激光热传导焊接中，激光脉冲宽度与焊缝深度有 直接关系，也就是说脉冲宽度决定了材料熔化的 深度和焊缝的宽度。据文献记载，熔深的大小随 脉宽的333次方增加 。如果单纯增加脉冲宽度，只会使焊缝变宽、过 熔，引起焊缝附近的金属氧化、变色甚至变形。 因此，特殊要求较大熔深时，可使聚焦镜的焦点 深入材料内部，使焊缝处发生轻微打孔，部份熔 化金属有汽化飞溅现象，焊缝深度变大，此时焊 缝表面平整度可能稍差。必要时，改变离焦量重 复焊接一遍，可使焊缝表面光滑美观。
33333 激光焊接技术的主要参数
对脉冲激光器来讲就是平均激光功率的大小，保 证了足够的激光功率，在热传导焊接中，激光器 工作于脉冲状态，因而脉冲能量、脉冲宽度和激 光重复频率就是很重要的参数。当然，激光外光 路的设计、聚焦系统、焊接时离焦量大小的影响 也是必须注意的，焊接的速度或者说光斑的重叠 率，激光脉冲的重复频率，也要有适当的配合。 为了防止焊接过程中工件材料的氧化，需要选用 适当的保护气体，而且保护气体的流量大小、吹 气方式，或者说是吹气喷嘴形状的设计都是很有 关系的。
三、激光脉冲波形
热传导型激光焊接使用重复脉冲激光焊接材料， 为了焊接效果好，就要对激光脉冲波形有一定要 求。 借用电子电路技术中仿真线的概念，由电感电容 网络组成仿真线，通过仿真线放电形成特定形状 的激光脉冲，一般通过333仿真线网络可以将 脉冲展宽，得到一个平顶宽脉冲。根据需要可以 使脉宽在3～333，最大可做到3333。
图333 333深熔焊接机示意
中国延长飞机寿命研究曝光 含激光超声波技术

中国延长飞机寿命研究曝光 含激光超声波技术

中国延长飞机寿命研究曝光含激光超声波技术导读：我国目前对现役和在研的飞机提出了延长其使用寿命的迫切需求。

飞机结构的使用寿命不仅与细节设计、机体材料和飞行载荷相关联，更与其零件制造质量及其所采用的技术密不可分。

这些技术包括连接技术、装配技术和强化技术等。

机体结构通过各种形式的连接而成为一传力承载的整体，而“力”在数以万计的分布于结构单元上的连接点(紧固件、钉孔、焊点、焊缝、胶接点等)间的传递过程中，持续对结构机体所进行的重复作用致使其产生疲劳损伤，继而影响飞机结构的使用寿命。

同样，各连接点的制造与装配质量也通过对“力”的传递所产生的影响而影响结构的使用寿命，通过各种技术途径改善各连接点的技术状态(表面质量、配合性质、结构形式等)就能全面提高机体结构的使用寿命。

据统计，75%~80%的疲劳损伤与破坏都发生在机体结构的连接部位，足见连接对飞机结构疲劳寿命的重要性。

连接结构寿命是机体结构寿命的主要决定因素之一，保证结构连接可靠，在飞机预定使用期内不发生功能下降或失效的故障，是长寿命连接技术应用研究的主要目的。

国外现役的先进飞机机体普遍应用的这类技术有干涉连接技术、电磁铆接技术、多种强化技术、多种焊接技术。

所有这些技术在结构不同部位的合理使用保证了其具有较长的使用寿命。

复合材料干涉连接技术新一代飞机机体大比例应用复合材料结构已成必然趋势，对复合材料/金属混合夹层结构连接的研究与分析也成为结构设计中重要的关注热点。

干涉连接技术采用衬套与螺栓组合对复合材料/金属混合夹层结构的连接钉孔进行微量挤压，改善钉孔表面状态,对提高金属钉孔的疲劳寿命或改善钉载分布效果明显。

干涉连接技术应用的难点在于对干涉量的选取，相关技术人员为节约研究成本，对干涉量这一复杂问题进行了简化，选取了有限的数据组合，开展了相应的试验研究工作，取得如下结果：1)干涉连接可提高复合材料/金属混合夹层连接件的疲劳寿命，提高的幅度均在1倍以上。

2)干涉连接可使钉载分配较为均匀，随着钉与孔配合紧密程度的增加，首排钉载逐渐减小，第二排钉载逐渐增加，最大钉载由首排转移到第二排。

焊接文献综述

焊接文献综述

车用AA7075(T6)激光-MIG复合焊和单独激光焊接头组织和性能研究1.引言铝合金材料由于导电导热性好、质量轻、抗腐蚀、易成形等优点, 受到众多工业制造领域的青睐, 可以制造各种各样化工耐蚀和低温设备, 这样极大地推动了铝合金焊接技术的发展。

因此, 提高铝合金焊接的生产率和焊接质量, 减少焊接缺陷存在的高效焊接方法已成为实际生产的迫切要求[1]。

激光焊接是实现铝合金结构联接最具有技术和经济优势的加工方法。

在工业生产中, 激光焊接是一种很有前景的连接工艺, 因为他能在较高的焊接速度和较低的热输入下, 获得深而窄的焊接接头, 但成本高。

气体保护焊虽然成本低, 在焊接特性上又有一定的局限性, 将两种方法结合, 可有效的提高焊接效率, 近年来发展的铝合金复合焊接技术主要是采用高能焊接方法, 如激光-电弧焊、激光-等离子弧焊、等离子电弧焊、等离子-电子束焊、TIG-MIG、等。

这些焊接方法具有能量密度大且较集中、焊接速度高、焊接变形小、焊接质量高等优点[1]。

此外, 基于固相连接技术的新型焊接技术——搅拌摩擦焊也可用于高强铝合金的焊接, 该种方法具有优良的接头力学生能, 不需要填充焊接材料, 没有焊接烟法和飞溅, 很少的焊前准备和焊接变形等优势。

在此主要针对高强铝合金激光-电弧复合焊进行分析。

2.激光复合焊的现状、实验研究及应用2.1.高强铝合金激光焊接分析及现状铝合金材料由于导电导热性好、质量轻、抗腐蚀、易成形等优点, 受到众多工业制造领域的青睐[1], 美欧等主要工业国家都用4位数字来表示铝和铝合金牌号, 其中2系与7系一般为高强度铝合金, 主要为压力加工铝合金中防锈铝合金类、硬铝合金类、超硬铝合金类、锻铝合金类、铝锂合金类。

铝合金的激光焊接在八十年代还被认为是不可能的, 这主要是由于铝合金对激光的高反射性和自身的高导热性。

除此之外铝合金还存在一些难点, 例如铝元素电离能力低, 焊接过程中光致等离子体易于过热和扩展, 焊接过程稳定性差；激光焊接熔深比大, 气泡不易上浮析出, 容易产生气孔等[9]。

国内外电子束焊接技术研究现状

国内外电子束焊接技术研究现状

国内外电子束焊接技术研究现状摘要综述了电子束焊接技术的国内外研究发展动态。

简述了电子束焊接基本原理及国内外研究者已取得的部分研究成果,并展望了异种材料电子束焊接技术的研究方向。

关键词电子束焊接0引言随着全球工业化步伐的加快及现代科学技术的突飞猛进,焊接这门古老而现代的技术也在不断地完善和发展,可以说焊接已在现代的生产生活中占有极为重要的地位。

近代焊接技术,自1882 年出现碳弧焊开始,迄今已经历了100 多年的发展历程,为了适应工业发展及技术进步的需要,先后产生了埋弧焊、电阻焊、电渣焊及各种气体保护焊等一系列新的焊接方法。

进入20 世纪60 年代后,随着焊接新能源的开发和焊接新工艺的研究,等离子弧切割与焊接、真空电子束焊接及激光焊接等高能束技术也陆续应用到各工业部门,使焊接技术达到了一个新的水平。

特别是近年来,航空、航天、原子能等尖端工业的发展需求,不断提出了具有特殊性能材料的焊接问题,如高强钢、超高强钢、特种耐热耐腐蚀钢、高强不锈钢、特种合金及金属间化合物、复合材料、难熔金属及异种材料焊接问题。

而电子束焊接技术以其与其它熔化焊相比独具的功率密度大、深宽比大、焊接区变形小、能耗低、易于控制实现自动化等优点,在航空、航天及原子能工业和其它军用、民用制造业中得到了高度重视及应用发展。

为此,较系统、全面地了解当今电子束焊接技术的国内外的研究发展现状,以及电子束焊接技术及相关工艺应用的成果,对于电子束焊接技术领域研究发展方向的准确把握及其开展进一步研究工作有着极大的指导意义。

1 电子束焊接方法电子束焊接( EBW) 是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压(25～300 kV) 加速电场作用下被拉出,并加速到很高的速度(0. 3～0. 7 倍光速) ,经一级或二级磁透镜聚焦后,形成密集的高速电子流,当其撞击在工件接缝处时,其动能转换为热能,使材料迅速熔化而达到焊接的目的,见图1 。

其实,高速电子在金属中的穿透能力非常弱,如在100 kV 加速电压下仅能穿透0. 025 mm。