高强铝合金的激光填粉焊接
|
摘要
摘 要
高强铝合金在航空航天、汽车、轻型轨道交通等工业部门得到了广泛应用。
由于高强铝合金很难用一般的熔焊方式来焊接，用来做结构件时通常用螺栓、铆
钉来连接，但这些连接方法会增加结构重量和增加经济消耗。激光束具有很高的
能量密度，所以用激光进行焊接不仅速度快，而且变形小，但是激光焊接铝合金
同样会遇到一般熔焊方法焊接铝合金时出现的气孔、裂纹等缺陷。为了消除这些
缺陷，在激光焊接过程中加入焊丝是一种非常实用的方法，国际上有关此方面的
研究已很深入并开始走向工业应用。与焊丝相似，金属粉末同样可以作为填充材
料，而且更具柔性化，但有关此方面的研究极少，本文的主要研究内容就是从机
理和实验两方面研究采用填充粉末的方式对铝合金进行激光焊接。
为达到送粉焊接的目的，我们在对现有喷粉头进行了深入地研究分析后，
设计出了一种自汇聚同轴三层结构送粉头，它不仅可以将粉末汇聚到焊接要求的
束径，同时能对焊缝进行有效地的保护。经实验证实，此送粉头完全能满足送粉
焊接的要求。
对填粉焊接过程进行的高速摄像和金相分析表明，焊接过程比未加粉稳定，
金属蒸汽和等离子体被有效压缩，使用成分为 AlSi12 的填充粉末可以有效地消
除热裂纹和气孔。
利用优化的焊接工艺参数，我们在 YAG 激光器上成功地对 7075 为主的几种
高强铝合金成功地进行了激光填粉焊接，焊缝整齐美观，无咬边、下陷、不连续
等宏观缺陷。拉伸实验证实，7075 焊后的平均拉伸强度为 370Mpa,为母材的 80%
左右。
High strength aluminum alloys are used in a wide range of engineering
applications, which include aerospace, automobile, light railway etc. Since these
alloys are not easy to weld, they must be joined by bolts and rivets when assembled as
structures. Such mechanical joints are disadvantageous for reduce weight and
construction cost. Laser beam has very high power intensity, there is an increasing
interest in applying laser beam welding to aluminum alloys since it offers advantages
such as high welding speeds and low distortion. However, porosity and hot crack are
often encountered in laser welding as well as in conventional processes. To minimize
this problem, filler wire are used in laser welding. Just like filler wire ,powder metal
have the same effect, otherwise, it is more flexible than wire in the weld. In this paper,
we do some theoretical and experimental studying on aluminum powder welding.
To meet the specialty of laser powder welding, we designed a three-ply
self-bundling coaxial powder injecting head which can both feed the powder metal
and provide shielding gas. Its function has been approved in experiments is good.
High speed camera shoot show the moving of the welding pool is steady and
uniform. By metallographic analyzing of the welded seam, the conclusion can be
made that it can well eliminate the hot crack and porosity when the weld adopt AlSi12
powder alloy metal.
Adopting optimized processing parameters we have welded 7075 aluminum
successfully by injecting powder filler metal to the welding pool with high power
YAG laser. Both sides of the welded seam is full filled and without defect such as
undercut, excessive penetration, discontinuous etc on the surface of seam .the porosity
is low and the hot crack is eliminated also. The tension experiment shows that the
tensile strength of the 7075(T73)Al alloy can reach 370MPa.
高强铝合金在航空航天、汽车、轻型轨道交通等工业部门得到了广泛应用。
由于高强铝合金很难用一般的熔焊方式来焊接，用来做结构件时通常用螺栓、铆
钉来连接，但这些连接方法会增加结构重量和增加经济消耗。激光束具有很高的
能量密度，所以用激光进行焊接不仅速度快，而且变形小，但是激光焊接铝合金
同样会遇到一般熔焊方法焊接铝合金时出现的气孔、裂纹等缺陷。为了消除这些
缺陷，在激光焊接过程中加入焊丝是一种非常实用的方法，国际上有关此方面的
研究已很深入并开始走向工业应用。与焊丝相似，金属粉末同样可以作为填充材
料，而且更具柔性化，但有关此方面的研究极少，本文的主要研究内容就是从机
理和实验两方面研究采用填充粉末的方式对铝合金进行激光焊接。
为达到送粉焊接的目的，我们在对现有喷粉头进行了深入地研究分析后，
设计出了一种自汇聚同轴三层结构送粉头，它不仅可以将粉末汇聚到焊接要求的
束径，同时能对焊缝进行有效地的保护。经实验证实，此送粉头完全能满足送粉
焊接的要求。
对填粉焊接过程进行的高速摄像和金相分析表明，焊接过程比未加粉稳定，
金属蒸汽和等离子体被有效压缩，使用成分为 AlSi12 的填充粉末可以有效地消
除热裂纹和气孔。
利用优化的焊接工艺参数，我们在 YAG 激光器上成功地对 7075 为主的几种
高强铝合金成功地进行了激光填粉焊接，焊缝整齐美观，无咬边、下陷、不连续
等宏观缺陷。拉伸实验证实，7075 焊后的平均拉伸强度为 370Mpa,为母材的 80%
左右。
High strength aluminum alloys are used in a wide range of engineering
applications, which include aerospace, automobile, light railway etc. Since these
alloys are not easy to weld, they must be joined by bolts and rivets when assembled as
structures. Such mechanical joints are disadvantageous for reduce weight and
construction cost. Laser beam has very high power intensity, there is an increasing
interest in applying laser beam welding to aluminum alloys since it offers advantages
such as high welding speeds and low distortion. However, porosity and hot crack are
often encountered in laser welding as well as in conventional processes. To minimize
this problem, filler wire are used in laser welding. Just like filler wire ,powder metal
have the same effect, otherwise, it is more flexible than wire in the weld. In this paper,
we do some theoretical and experimental studying on aluminum powder welding.
To meet the specialty of laser powder welding, we designed a three-ply
self-bundling coaxial powder injecting head which can both feed the powder metal
and provide shielding gas. Its function has been approved in experiments is good.
High speed camera shoot show the moving of the welding pool is steady and
uniform. By metallographic analyzing of the welded seam, the conclusion can be
made that it can well eliminate the hot crack and porosity when the weld adopt AlSi12
powder alloy metal.
Adopting optimized processing parameters we have welded 7075 aluminum
successfully by injecting powder filler metal to the welding pool with high power
YAG laser. Both sides of the welded seam is full filled and without defect such as
undercut, excessive penetration, discontinuous etc on the surface of seam .the porosity
is low and the hot crack is eliminated also. The tension experiment shows that the
tensile strength of the 7075(T73)Al alloy can reach 370MPa.
引文
参考文献
1 左铁钏等.高强铝合金的激光加工.国防工业出版社：1～165
2 刘静安，谢水生.铝合金材料的应用与技术开发.冶金工业出版社：14～15
3 周振丰.金属熔焊原理及工艺.机械工艺出版社.1981：146～151
4 潘志军，黎文献，马正青.高强铝合金的研究现状及展望.合金与热处理.2001,24(4):39
5 朱宏,金忠华.铝及铝合金激光焊接技术的研究现状.电子工艺技术 1997,7:131～132
6 张士林. 简明铝合金手册.上海科学技术文献出版社。2001：13～17
7 杨淑芳，楼松年，薛小怀.铝合金焊接技术。造船技术。2003，（5）：25
8 关振中.激光加工工艺手册.中国计量出版社.1998：3
9 王希靖，片山圣二，松绳朗.铝合金的激光焊接.甘肃工业大学学报，1994，20（1）：
18
10 肖荣诗，陈铠，左铁钏.高强铝合金激光焊接新进展.应用激光 2002，22（2）：206～207
11 崔海涛. 激光三维快速微成形纳米相粉送粉器的研究 工学硕士论文 2002 年 5 月.
12 李玉柱, 苑明顺. 流体力学. 高等教育出版社. 1998 年 6 月第一版.
13 Vaedelle M ,Vaedelle A ,Fauchais P,et al.Plasma-partical momentum and heat
transfer;modeling and measurents[J].AICHE Journal,1983,29(2):236-243
14 周力行. 湍流两相流动与燃烧的数值模拟. 清华大学出版社. 1991 年 8 月第一版.
15 郭烈锦. 两相与多相流动力学. 西安交通大学出版社. 2002 年 12 月.
16 彭一川，肖泽强. 收敛喷嘴中气粉流行为的理论计算. 东北工学院学报，1986，7（3）；
16～21
17 刘 敏，张会强，王希踏，郭印诚，林文游. 稠密气固流动中颗粒聚集现象的数值模拟 .
燃烧科学与技术. Vol.9 No.2 Apr.2003
18 盛中权, 罗建江, 杨鸿儒. 等直径管粉—气两相流喷出行为的试验研究. 钢铁研究学
报 1994，6（2）：103～104
19 鲍德松，张训生.颗粒物质与颗粒流.浙江大学学报.2003,30(5):515
20 饶江，葛满初，徐建中.固体颗粒与通道壁面相互作用的实验研究.工程热物理学
报.2003,24(1)
21 刘喜明，关振中. 送粉式激光熔覆获得最佳熔覆层的必要条件及其影响因素. 中国激光
1999, A26: 470～475
-55-
北京工业大学硕士学位论文
22 杨永强，宋永伦.送粉激光熔覆时激光与粉末的交互作用.中国激光.1998,1(25):280～
281
23 Vaedelle M,Vaedelle A,Farchais P,et al.Plasma-particle momentum and heat
transfer :modelling and measurents[J].AICHE Journal,1983,29(2):236～243
24 李力钧. 现代激光加工及其设备. 北京：北京理工大学出版社, 1993:
25 Hnming Lin. Numerical simulation of the focused powder streams in coaxial laser
cladding. Journal of Materials Processing Technology. 105 (2000) 17-23.
26 slaw HS.etal.conduction of heat in solids .2nd Ed.London.oxford university
press.1959：35
27 Volz,R.; Reichelt,U.; Wolf,S.; Pei,YT.; Zuo,TC. Laser Processing of Aluminium
Automobile Parts with Powder Technologies, 97La013:30th International Symposium
on Automotive Technology&Automation,1997
28 吕新宇，吴欣凤，王立娟.7075 合金扁锭裂纹的工艺研究.铝加工.2002，25（2）：22
29 李志远，钱乙余，张九海.先进连接方法，机械工业出版社，2000：42～43
30 CO2 laser weldability of aluminium alloys (report1):effect of welding conditions
on melting charicristics.1998,12(7):10
31 G.Sepold, T.C.Zuo, C.Binroth. CO2-Laser Beam Welding of Aluminum Alloys For
Transport Systems. 1990,(539):90
32 Zuo T C(左铁钏), Xiao R S, Volz R. The behavior of laser induced plasma of high
power CO2 laser welding of aluminum alloy. Key Technology Laser: Challenge for
the Factory 2000, Proc. of the 12th International Congress (Laser’95), Munich,
Germany. pp380, June 1995.
33 唐霞辉，周金鑫，周毅，李适民.同轴双层喷嘴辅助气体对激光深熔焊接光致等离子体的
控制.中国机械工程 2003，14（14）1180～1181
34 陈铠，王智勇，肖荣诗，施定远，左铁钏，Roth,G, Opower,H. 铝合金的大功率扩散型
CO2激光粉末焊接技术. 激光杂志, Vol.21，No.5，p45-48，2000。
35 陈铠，王智勇，肖荣诗，施定远，左铁钏，Roth,G, Opower,H. 铝合金的大功率扩散型
CO2激光粉末焊接技术 II：组织与性能. 激光杂志. 2001,22(55-56)
36 G.Rhokdes,M.W.Mahoney,W.H.Bingel.Effects of friction stir welding on
microstructure of 7075 aluminium.Scripta Materia,1997,36(1):69
37 Zuo T C(左铁钏), Xiao Y H, et al. Laser beam welding with filler material of
aluminium alloys. In Chen J H eds. Welding, Joining, Coating and Surface
Modification of Advanced Materials. Proc. the Pre-Assembly Symposium of 47th
Annual Assembly of IIW, Dalian, China, Sept. 1994.
38 骆红，胡伦骥等.铝合金的激光焊接.激光技术 Vol.22,No.2,April,1998
39 [5.333] 肖荣诗.CO2 激光深熔焊接光致等离子体行为研究[博士学位论文].北京工业
大学，1997
-56-
参考文献
40 王希靖等.不同铝合金在激光焊接时的熔化和蒸发特性.焊接学报，16（1）
41 Gnanamuthu, D.S., Moores, R.J. Laser Welding of 7475 Aluminum Alloy; Proceedings
of the Conference "The Laser vs the Electron Beam 1987"; Edited by R.Bakish,
pp.295-300.
42 Krokhin O N. Generation of high-temperature vapors and plasmas by laser
radiation. In: Arecchi F T, Schulz-Dubois E O, eds. Laser Handbook. Vol.2.
Amsterdam: North-Holland.
1 左铁钏等.高强铝合金的激光加工.国防工业出版社：1～165
2 刘静安，谢水生.铝合金材料的应用与技术开发.冶金工业出版社：14～15
3 周振丰.金属熔焊原理及工艺.机械工艺出版社.1981：146～151
4 潘志军，黎文献，马正青.高强铝合金的研究现状及展望.合金与热处理.2001,24(4):39
5 朱宏,金忠华.铝及铝合金激光焊接技术的研究现状.电子工艺技术 1997,7:131～132
6 张士林. 简明铝合金手册.上海科学技术文献出版社。2001：13～17
7 杨淑芳，楼松年，薛小怀.铝合金焊接技术。造船技术。2003，（5）：25
8 关振中.激光加工工艺手册.中国计量出版社.1998：3
9 王希靖，片山圣二，松绳朗.铝合金的激光焊接.甘肃工业大学学报，1994，20（1）：
18
10 肖荣诗，陈铠，左铁钏.高强铝合金激光焊接新进展.应用激光 2002，22（2）：206～207
11 崔海涛. 激光三维快速微成形纳米相粉送粉器的研究 工学硕士论文 2002 年 5 月.
12 李玉柱, 苑明顺. 流体力学. 高等教育出版社. 1998 年 6 月第一版.
13 Vaedelle M ,Vaedelle A ,Fauchais P,et al.Plasma-partical momentum and heat
transfer;modeling and measurents[J].AICHE Journal,1983,29(2):236-243
14 周力行. 湍流两相流动与燃烧的数值模拟. 清华大学出版社. 1991 年 8 月第一版.
15 郭烈锦. 两相与多相流动力学. 西安交通大学出版社. 2002 年 12 月.
16 彭一川，肖泽强. 收敛喷嘴中气粉流行为的理论计算. 东北工学院学报，1986，7（3）；
16～21
17 刘 敏，张会强，王希踏，郭印诚，林文游. 稠密气固流动中颗粒聚集现象的数值模拟 .
燃烧科学与技术. Vol.9 No.2 Apr.2003
18 盛中权, 罗建江, 杨鸿儒. 等直径管粉—气两相流喷出行为的试验研究. 钢铁研究学
报 1994，6（2）：103～104
19 鲍德松，张训生.颗粒物质与颗粒流.浙江大学学报.2003,30(5):515
20 饶江，葛满初，徐建中.固体颗粒与通道壁面相互作用的实验研究.工程热物理学
报.2003,24(1)
21 刘喜明，关振中. 送粉式激光熔覆获得最佳熔覆层的必要条件及其影响因素. 中国激光
1999, A26: 470～475
-55-
北京工业大学硕士学位论文
22 杨永强，宋永伦.送粉激光熔覆时激光与粉末的交互作用.中国激光.1998,1(25):280～
281
23 Vaedelle M,Vaedelle A,Farchais P,et al.Plasma-particle momentum and heat
transfer :modelling and measurents[J].AICHE Journal,1983,29(2):236～243
24 李力钧. 现代激光加工及其设备. 北京：北京理工大学出版社, 1993:
25 Hnming Lin. Numerical simulation of the focused powder streams in coaxial laser
cladding. Journal of Materials Processing Technology. 105 (2000) 17-23.
26 slaw HS.etal.conduction of heat in solids .2nd Ed.London.oxford university
press.1959：35
27 Volz,R.; Reichelt,U.; Wolf,S.; Pei,YT.; Zuo,TC. Laser Processing of Aluminium
Automobile Parts with Powder Technologies, 97La013:30th International Symposium
on Automotive Technology&Automation,1997
28 吕新宇，吴欣凤，王立娟.7075 合金扁锭裂纹的工艺研究.铝加工.2002，25（2）：22
29 李志远，钱乙余，张九海.先进连接方法，机械工业出版社，2000：42～43
30 CO2 laser weldability of aluminium alloys (report1):effect of welding conditions
on melting charicristics.1998,12(7):10
31 G.Sepold, T.C.Zuo, C.Binroth. CO2-Laser Beam Welding of Aluminum Alloys For
Transport Systems. 1990,(539):90
32 Zuo T C(左铁钏), Xiao R S, Volz R. The behavior of laser induced plasma of high
power CO2 laser welding of aluminum alloy. Key Technology Laser: Challenge for
the Factory 2000, Proc. of the 12th International Congress (Laser’95), Munich,
Germany. pp380, June 1995.
33 唐霞辉，周金鑫，周毅，李适民.同轴双层喷嘴辅助气体对激光深熔焊接光致等离子体的
控制.中国机械工程 2003，14（14）1180～1181
34 陈铠，王智勇，肖荣诗，施定远，左铁钏，Roth,G, Opower,H. 铝合金的大功率扩散型
CO2激光粉末焊接技术. 激光杂志, Vol.21，No.5，p45-48，2000。
35 陈铠，王智勇，肖荣诗，施定远，左铁钏，Roth,G, Opower,H. 铝合金的大功率扩散型
CO2激光粉末焊接技术 II：组织与性能. 激光杂志. 2001,22(55-56)
36 G.Rhokdes,M.W.Mahoney,W.H.Bingel.Effects of friction stir welding on
microstructure of 7075 aluminium.Scripta Materia,1997,36(1):69
37 Zuo T C(左铁钏), Xiao Y H, et al. Laser beam welding with filler material of
aluminium alloys. In Chen J H eds. Welding, Joining, Coating and Surface
Modification of Advanced Materials. Proc. the Pre-Assembly Symposium of 47th
Annual Assembly of IIW, Dalian, China, Sept. 1994.
38 骆红，胡伦骥等.铝合金的激光焊接.激光技术 Vol.22,No.2,April,1998
39 [5.333] 肖荣诗.CO2 激光深熔焊接光致等离子体行为研究[博士学位论文].北京工业
大学，1997
-56-
参考文献
40 王希靖等.不同铝合金在激光焊接时的熔化和蒸发特性.焊接学报，16（1）
41 Gnanamuthu, D.S., Moores, R.J. Laser Welding of 7475 Aluminum Alloy; Proceedings
of the Conference "The Laser vs the Electron Beam 1987"; Edited by R.Bakish,
pp.295-300.
42 Krokhin O N. Generation of high-temperature vapors and plasmas by laser
radiation. In: Arecchi F T, Schulz-Dubois E O, eds. Laser Handbook. Vol.2.
Amsterdam: North-Holland.