异种铝合金激光搭接焊热裂纹形成机理研究

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随着环境保护和节约能源的要求日益增加,轻量化材料如铝合金的使用越来越广泛。由于化学成分上的差异,不同系列铝合金适用条件不同,因此异种铝合金的连接,成为结构完整性的必要手段。焊接是实现异种铝合金连接的主要方法,搭接接头是常见的接头形式之一。然而,由于气孔缺陷、裂纹缺陷等是铝合金在焊接加工过程中的常见问题,特别是当部分铝合金的化学成分处于热裂敏感区域,异种铝合金焊接过程中不同的熔合情况带来的焊接问题不同,获得高质量的焊接接头挑战较大。  本文针对AA5754和AA6013两种铝合金开展了异种铝合金激光搭接焊热裂纹敏感性试验,主要以搭接接头的形式进行激光焊接试验研究。通过改变焊接工艺参数包括激光功率、搭接顺序、焊接速度、搭接量和拘束条件,研究不同工艺参数对凝固裂纹敏感性的影响规律。通过分析焊接接头的化学成分、熔合比、显微组织和断口形貌,表征了搭接接头焊接过程中凝固裂纹的形貌特征,揭示了其产生的基本原因。同时,结合异种铝合金激光搭接焊接的有限元模拟,进一步阐明了凝固裂纹形成的力学因素。文章取得的结论如下:  (1)在异种铝合金搭接激光焊接过程中,AA5754的熔入会降低焊缝的凝固裂纹敏感性,而焊缝中 AA6013成分增加则会提高焊缝产生凝固裂纹的可能性,这是由于AA6013凝固裂纹敏感性要高于AA5754的缘故。故适当控制不同铝合金的熔合比是控制凝固裂纹的有效措施。  (2)获得了不同搭接顺序下焊接工艺参数对凝固裂纹敏感性的影响规律。当 AA6013在上 AA5754在下时,随着激光功率的增加,凝固裂纹敏感性降低,且激光功率大于3.85 kW时可以有效抑制凝固裂纹的产生;随着焊接速度的增加,凝固裂纹的敏感性增加,并获得了搭接量分别为12、10、8和6 mm时,不产生裂纹对应的临界焊接速度分别为3.0、3.3、3.9和4.5 m/min。  (3)采用上述得到的优化激光焊接工艺参数,可以获得无凝固裂纹的异种铝合金搭接接头。通过拉伸试验表明,搭接接头剪切强度大于140 N/mm。  (4)有限元分析表明,在搭接焊过程中,其他焊接工艺参数保持不变的条件下,激光功率由3.5 kW增加到4.5 kW,焊接速度由3.6 m/min减小到3.0 m/min,搭接量由15 mm减小到5 mm时,熔池最大机械应变分别增加17%,11%和28%。即随着激光功率的增加以及焊接速度和搭接量的减小,会使得在力学因素上焊缝凝固裂纹的敏感性增加。
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