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1、华中科技大学 硕士学位论文 异种轻质合金激光焊接工艺研究 姓名：尼军杰 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：刘顺洪 20070603 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 本文主要进行了 TC4 钛合金与 L3 工业纯铝的异种金属板材激光搭接焊研究。 TC4 和铝之间的焊接属于异种金属焊接范畴。但 TC4 钛合金和铝激光焊接除一 般异种金属焊接时容易出现的问题外，还有其特殊的地方如：熔点、激光吸收率相 差大等，因此对其焊接性进行了分析。 由于钛合金与铝对激光的吸收率相差大，因此，采用搭接方式，利用钛对激光
2、的良好的吸收，将其置于铝板之上，依靠热传导提高铝板温度，随着温度升高铝板 对激光吸收率大幅增加，从而实现焊接过程。 试验采用 1.5mm 厚度的钛合金板材与 1.0mm 铝板，采用光斑直径为 0.3mm， 离焦量为 0 的激光束，改变激光功率与焊速等参数进行多次试验。通过拉伸试验、 显微组织及硬度分析对表面形貌、显微组织、力学性能及 SEM 进行分析研究。 借用熔合比概念，估算了铝在焊缝中的含量，铝含量随线能量的增加而增 加，结合扫描照片及能谱分析，分析了焊缝中金属间化合物的形成原因：激光焊接 中焊缝冷却速度很快，熔池存在时间很短，由于试验采用搭接接头，铝板位于钛合 金板的下部，所以铝没有足够
3、的时间到达焊缝上部。而且熔池中铝与钛的熔合主要 依靠对流，扩散很少，激光焊接具有很大的深宽比，焊缝形状呈钉型，铝板则位于 钉尖位置，面积很窄，熔池中金属液体流动阻力大，因此铝很难到达焊缝上部，而 在焊缝底部富集。所以焊缝底部铝含量要远远高于 10，而形成金属间化合物。 硬度分析与能谱分析结果都证明了金属间化合物的存在。接头拉伸试验表明， 在功率为 1.2kw，焊速为 1.2m/min，线能量为 1.0kJ/cm 的条件下能够获得满足性能 要求的接头。 根据显微组织照片及扫描电镜，分析了焊接中各种缺陷及产生的原因，包括气 孔、裂纹与焊缝中的偏析。 关键词关键词： 激光焊接; 搭接; 异种金属;
4、金属间化合物; TC4 钛合金; L3 纯铝 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Dissimilar metal plates laser welding of TC4 Ti alloy to L3 industrial pure Al are researched in this thesis. Welding between TC4 and Al categorize into dissimilar metal welding.But TC4/Al welding have their specific
5、characteristic, such as their melting point and laser absorptivity are different greatly, besides general dissimilar metal welding problem. So we analyze their weldability. Because the difference between Ti alloy and Als laser absorptivity is great, we adopt lap joint and make use of the great laser
6、 absorption of Ti, and put it on the Al plate,increase Al plate temperature by thermal conductivity.with temperature increasing,laser absorptivity of Al is increasing,so welding joint is formed. We adopt 1.5mm Ti alloy plates and 1.0 mm Al plates, and the laser beam characteristic we use is 0.3mm sp
7、ot diameter, 0 defocusing amount. We carry on several experiments by changing laser power and welding speed, and by tensile testing, microstructure and hardness analysis.We respectively research their surface profile, microstructure , mechanical characteristic and SEM pictures. We evaluate Al conten
8、t in welding by formula of penetration ratio, and the result show Al content increase with heat input increasing. Combining the picture of SEM and energy spectrum analysis, we know intermetallic composites forming in the welding: fast cooling speed in laser welding, short existing time of molten poo
9、l, and Al have no enough time to diffuse to welding above ,because Al plate lay under Ti alloy plate in lap welding. In addition, they mainly rely not on diffusion, but convection in Al/Ti molten pool, and large depth-to-width ratio, tack shape welding; Aluminum plates are located in the narrowest p
10、osition. The aluminum is difficult to reach to the front of the weld and stays at the bottom because of the large liquid metal flow resistance in the weld pool, so the content of aluminum in the bottom of weld is far more than ten percent and they are eventually coming into being intermetallic compo
11、unds. Both hardness analysis and energy spectrum analysis prove the existence of tntermetallic compounds. Tensile testing demonstrates it can get the meet capability joint 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III on the conditions of power 1.2kw, weld speed 1.2m/min and energy input 1.0kJ
12、/cm. Based on pictures of microstructure and SEM, we analyze varied weld flaw and resulting causes, including gas pores, cracks and segregation in the welding. Keywords: laser welding; lap-joint; dissimilar metals; intermetallic compound; TC4 titanium metal alloy; L3 industrial pure aluminum 华 中 科 技
13、 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 激光焊接发展现状及特点激光焊接发展现状及特点 激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法,日益 受到人们的关注。关于激光焊接工艺与基础理论，主要研究了 CO2激光和 YAG 激 光焊接各种金属材料时的理论，包括激光诱发的等离子体的分光、吸收、散射特性 以及熔透及质量检测方法、激光与 TIG 或 MIG/MAG 复合焊接、激光焊接现象及小 孔行为、焊接缺陷发生机理与防止方法等,并对镍基耐热合金、铝合金及镁合金的焊 接性，焊接现象建模与数值模拟，钢铁材料、铜、铝合金与
14、异种材料的连接,激光接 头性能评价等方面做了一定的研究1。随着千瓦级连续 CO2激光器焊接试验的成功, 激光焊接的研究与应用情况在 1971 年和 1972 年发生了变化。在大厚度不锈钢试件 上进行 CO2激光焊接，形成了穿透熔深的焊缝，从而清楚地表明了小孔的形成，而 且激光焊接产生的深熔焊缝(小孔效应焊缝)与电子束焊接相似。这些利用 CO2激光 器进行金属焊接的早期工作证明了高功率连续激光焊接的巨大潜能。日本、德国、 英国和前苏联等国的研究组也相继报道了高功率 CO2激光焊接技术的发展及其优 化。CO2激光焊接继续地发展集中于如何获得高光束质量的致密可靠的激光源，如 何理解和解释接头设计、焊
15、接速度、光束聚集和等离子效应之间的复杂相互作用及 其与焊接性能的关系。 在航空工业以及许多其它应用中，激光焊接能够实现很多类型材料的连接，而 且激光焊接通常具有许多其它传统熔焊工艺所无法比拟的优越性，尤其是激光焊接 能够连接航空与汽车工业中比较难焊的薄板合金材料2，如铝合金与钛合金等，并 且构件的变形小，接头质量高，重现性好。激光加工的另一项具有吸引力的应用方 面是利用了激光能够实施局部微小范围加热的特性,激光所具有的这种特点使其非常 适于印刷电路板一类的电子器件的焊接，激光能在电子器件上非常小的区域内产生 很高的平均温度，而接头以外的区域则基本不受影响35。 激光焊接是利用激光束作为热源的一
16、种热加工工艺，它与电子束等离子束和一 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 般机械加工相比较，具有许多优点： （1）激光束的激光焦点光斑小，功率密度高， 能焊接一些高熔点、高强度的合金材料； （2）激光焊接是无接触加工，没有工具损 耗和工具调换等问题。激光束能量可调，移动速度可调，可以多种焊接加工； （3） 激光焊接自动化程度高，可以用计算机进行控制，焊接速度快，功效高，可方便的 进行任何复杂形状的焊接； （4）激光焊接热影响区小，材料变形小，无需后续工序 处理； （5）激光可通过玻璃焊接处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置的 工件； （6）激光束易于导向、聚焦，实现各方向变换； （7）激光焊接与电子束加工 相比较，不需要严格的真空设备系统，操作方便； （8）激光焊接生产效率高，加工 质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。 目前,在激光焊接技术研究与应用方面处于世界领先水平的国家有德国、日本、 瑞士和美国等国。横流连续 CO2激光加工设备的输出功率可达 20kW，脉冲 Nd： YAG 激光器的最大平均输
