工藝參數(shù)對2A97T3鋁鋰合金光纖激光焊接焊縫成形的影響

易 珍 ，陳 俐 ，何恩光 ，常 明

（1. 武漢理工大學材料科學與工程學院, 武漢430070；2. 中國航空制造技術研究院高能束流加工技術重點實驗室，北京100024）

我國最新自主研發(fā)的2A97T3鋁鋰合金，作為第三代鋁鋰合金，具有高的強韌性、較好的熱穩(wěn)定性、耐損傷、可焊等特點，同時又具有良好的加工性能，在航空航天領域顯現(xiàn)出廣闊的應用前景[1-3]。相對于常規(guī)焊接方法，激光焊更適合于薄板鋁鋰合金的焊接，這主要是因為激光焊接是以高能量密度的激光作為熱源，對金屬進行熔化形成焊接接頭，其具有以下優(yōu)點：熱輸入總量低、能量密度高；焊接速度快,對材料的熱損傷??；焊接的殘余應力?。缓附泳雀?，可大大減少焊后加工工作量[4-9]。目前，2A97T3鋁鋰合金光纖激光焊接相關的研究主要集中在焊縫組織性能這一部分的分析，而對于焊接工藝、焊縫成形等方面的研究相對較少。

焊縫背寬比（焊縫背面熔寬與正面熔寬之比），可表征焊接的全熔透性和熱源作用的強弱，同時也可反映穿透性小孔形成的穩(wěn)定性[10-11]。因此，利用背寬比表征焊縫成形具有一定的實際意義。本文采用光纖激光設備對2A97T3鋁鋰合金薄板進行焊接試驗，根據(jù)系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)，初步研究了焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響，并根據(jù)焊縫成形情況對焊接工藝參數(shù)進行了統(tǒng)計和優(yōu)化，對未來實際焊接2A97T3鋁鋰合金薄板時的工藝選取有一定的參考作用，有利于這種新型鋁鋰合金的實際應用和推廣。

1 試驗材料及設備系統(tǒng)

1.1 激光焊接設備

試驗采用美國IPG公司生產(chǎn)的YLS5000光纖激光器，最大功率為5000W，激光波長為1070～1080nm。機械手型號為ABB IRB2400 M2000，該機械手可靠性強、操作周期短、精度高且通用性強，是目前應用最廣的工業(yè)機械手之一。焊接保護氣為純度99.9%的氬氣，包括同軸保護和背保護。送絲系統(tǒng)為奧地利福尼斯公司生產(chǎn)的送絲機。圖1為激光焊接裝置示意圖。

圖1 激光焊接裝置示意圖Fig.1 Schematic illustration of the experimental system for laser beam welding

1.2 試驗材料

試驗所采用的母材為北京航空材料研究院研制的2A97T3鋁鋰合金薄板，厚度為1.2mm，化學成分如表1所示。焊前狀態(tài)為T3態(tài)，軋制的母材有輕微的各向異性，這主要與縱截面上母材晶粒的伸長有關。

表1 2A97鋁鋰合金化學成分

2 激光自熔焊工藝參數(shù)分析

2.1 激光功率對焊縫熔寬及背寬比的影響

激光自熔焊焊縫成形主要以焊縫的正面熔寬、背面熔寬和背寬比作為衡量標準，其具體位置如圖2所示，背寬比為背面熔寬與正面熔寬的比值。

圖2 焊縫熔寬位置示意圖Fig.2 Schematic illustration of the bead width

在工藝試驗過程中，設定離焦量始終為0，本文僅考慮激光功率和焊接速度對焊縫成形的影響。根據(jù)試驗結(jié)果（圖3）可以看出：當焊接速度不變時，隨著激光功率的增加，焊縫的正面熔寬和背面熔寬逐漸增大，但不是無限增大，熔寬增大到一定程度后會保持不變或者略有減小。這主要是因為隨著激光功率的增大，焊接熱輸入增大，熔化的母材量也會增加，使得焊縫熔寬增大；然而功率增大到一定程度后，焊縫會出現(xiàn)不同程度的下塌，從而使熔寬保持不變或者出現(xiàn)略微降低的現(xiàn)象。

激光功率對正面熔寬的變化影響不大，而對焊縫背面熔寬的變化影響非常明顯，因此在焊接速度不變的情況下，背面熔寬的變化決定了背寬比的變化，背寬比取值一般在0～1之間，但也存在背寬比大于1的情況。因此，在工程中，背面熔寬應作為衡量焊縫成形的重要指標。

比 較 圖 3（a）～（f），在 焊 接 速 度 較 低 時，如v1=1.2m/min，v2=1.5m/min，v3=1.8m/min時，在較寬的激光功率范圍下均可以成形；然而在焊接速度較高時，如v4=2.1m/min，v5=2.4 m/min，v6=3.3m/min時，若想獲得無孔洞的深熔焊縫，與之相匹配的功率則選擇范圍較窄。這說明，在激光焊接時若想獲得無孔洞的深熔焊縫，低速焊接時較容易匹配激光功率，而高速焊接時激光功率的匹配性較差。

2.2 焊接速度對焊縫熔寬及背寬比的影響

在工藝試驗過程中，控制激光功率保持不變，改變焊接速度，測量焊縫的正面熔寬、背面熔寬及背寬比，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4的試驗結(jié)果可知：當功率不變時，隨著焊接速度的增加，焊縫的正面熔寬和背面熔寬逐漸減小，當焊接速度增大到一定時，出現(xiàn)未焊透甚至熱導焊的現(xiàn)象。當功率不變時，隨著焊接速度的增加，焊縫的正面熔寬變化不大，而背面熔寬顯著下降。在功率值為1900～2000W時，焊接速度的匹配性較好，容易得到激光深熔焊縫。

綜合分析圖3～4可知，增大焊接熱輸入（增大激光功率或是減小焊接速度）會使焊縫熔寬及背寬比增加，其中背面熔寬變化顯著，而正面熔寬變化幅度較小，但焊接熱輸入過大時，會出現(xiàn)因焊縫下塌而導致熔寬減小的現(xiàn)象。對于1.2mm厚的2A97T3鋁鋰合金，自熔焊縫正面熔寬最大可達2.9mm，背面熔寬最大可達2.3mm。

圖3 激光功率對焊縫熔寬和背寬比的影響Fig.3 Influence of laser power on bead width and back-top ratio

3 激光自熔焊工藝參數(shù)優(yōu)化

2A97T3鋁鋰合金激光自熔焊縫成形情況分為3類：未焊透、深熔焊、穿孔的深熔焊縫。根據(jù)系統(tǒng)的工藝試驗和數(shù)據(jù)統(tǒng)計繪制出自熔焊焊縫成形統(tǒng)計圖，根據(jù)圖5可知：激光功率和焊接速度在一定范圍內(nèi)均會形成深熔焊縫，熱輸入過大（功率過大或者焊速過低）會導致焊縫出現(xiàn)焊穿的現(xiàn)象，反之，熱輸入過低則會出現(xiàn)未焊透的現(xiàn)象。隨著焊接速度和激光功率的增大，形成深熔焊縫的參數(shù)范圍會越來越窄。在實際應用中，由于激光器實際情況不盡相同，應根據(jù)等效情況調(diào)整圖5給出的參數(shù)范圍，選取合理的p和v，從而保證實現(xiàn)激光深熔焊。

圖4 焊接速度對焊縫熔寬和背寬比的影響Fig.4 Influence of welding speed on bead width and back-top ratio

圖6直觀反映了激光功率和焊接速度對焊縫成形的影響。從圖6 （b）和 （c）中可明顯看出背寬比和背面熔寬呈現(xiàn)出極為相似的變化規(guī)律。當線能量保持不變時，如圖6中E=480J/cm的線段,可知一般來說焊縫成形是不同的，同樣的線能量情況下，激光功率和焊接速度越大，焊縫的熔寬及背寬比也會越大，也就是說在線能量相同的情況下，高速焊所獲得的焊縫成形較好。這主要是因為功率和速度較大時，其加熱強度比低功率、低速焊時要大，也就是說加熱強度增大有利于增大焊縫的熔寬和背寬比，從而改善焊縫成形。

綜合考慮圖6所示結(jié)果，此次試驗表明1.2mm厚的2A97T3鋁鋰合金激光自熔焊焊縫成形較好的焊接參數(shù)范圍：功率p取2.0～2.5kW，焊接速度v取2.0 ～3.0m/min。然而，在實際焊接過程中，應根據(jù)激光器的實際情況選取等效的焊接參數(shù)，參考圖6揭示的焊縫熔寬隨焊接參數(shù)變化的情況，有利于合理預判焊接參數(shù)變化時的焊縫成形變化情況。

圖5 2A97T3鋁鋰合金激光自熔焊焊縫成形統(tǒng)計圖Fig.5 Statistical figure of laser beam welding forming of 2A97T3 Al-Li alloy

圖6 激光功率和焊接速度對焊縫成形的影響Fig.6 Influence of laser power and welding speed on welding forming

4 焊縫硬度和強度

硬度試驗采用Wilson Hardness TukonTM2500-6自動硬度測試機，試驗載荷為200g，加載時間為10s。試驗取3種焊接工藝參數(shù)下的焊縫截面測量硬度分布，如圖7所示。保持焊接速度v=2.1m/min不變，改變激光功率，當激光功率p=1.7kW時形成熱導焊焊縫，當p=1.9kW和p=2.1kW時形成深熔焊縫。

根據(jù)圖7可知，不論是熱導焊縫還是深熔焊縫，焊縫都出現(xiàn)了不同程度的軟化，越靠近焊縫中心，焊縫硬度越低，且熱導焊焊縫硬度明顯高于深熔焊的焊縫硬度。

拉伸試驗采用GB/T2651-2008焊接接頭拉伸試驗方法，試樣拉伸尺寸如圖8所示。設備采用Z100電子萬能材料試驗機。分別對2種工藝下的深熔焊縫進行拉伸試驗，每組工藝條件下取5組拉伸樣，取有效數(shù)據(jù)求均值后比較強度關系，母材強度由航材院提供，3者的數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)表2的報告數(shù)據(jù)可知：對于深熔焊縫，平均屈服強度可達母材的69%，平均抗拉強度可達母材的59%。當p=2.1kW時，焊縫強度高于p=1.9kW時形成的焊縫，也就是熔寬和背寬比較大的深熔焊縫，其強度也會相對較高，而硬度的變化相對不明顯，且兩種工藝下焊縫的延伸率均比較低。

5 結(jié)論

（1）隨著焊接熱輸入（增大激光功率或減小焊接速度）的增大，焊縫熔寬及背寬比會逐漸增加，其中背面熔寬變化顯著，而正面熔寬變化幅度較小，但焊接熱輸入過大時，會出現(xiàn)因焊縫下塌而導致熔寬減小的現(xiàn)象。

圖7 焊縫硬度分布圖Fig.7 Welding hardness distribution

圖8 拉伸試樣尺寸Fig.8 Geometry of tensile test samples

表2 焊縫強度報告

（2）激光功率和焊接速度在一定范圍內(nèi)均會形成深熔焊縫，熱輸入過大（功率過大或者焊速過低）會導致焊縫出現(xiàn)焊穿的現(xiàn)象；反之，熱輸入過低則會出現(xiàn)未焊透的現(xiàn)象。隨著焊接速度和激光功率的增大，形成深熔焊縫的參數(shù)范圍會越來越窄。

（3）一般來說，同樣的線能量情況下焊縫成形是不同的，激光功率和焊接速度越大，焊縫的熔寬及背寬比也會越大，也就是說在線能量相同的情況下，高速焊所獲得的焊縫成形較好。

（4）熱導焊焊縫硬度明顯高于深熔焊的焊縫硬度。熔寬和背寬比較大的深熔焊縫其強度也會相對較高。

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