鋁合金T型接頭激光焊接實驗研究

劉天亮，田彩蘭，董 鵬，梁曉康，羅志偉

（首都航天機械公司，北京 100076）

鋁合金T型接頭激光焊接實驗研究

劉天亮，田彩蘭，董 鵬，梁曉康，羅志偉

（首都航天機械公司，北京 100076）

針對激光焊接鋁合金T型接頭，系統(tǒng)研究了激光入射角度、激光功率、焊接速度對T型接頭焊接形貌的影響。研究結果表明：激光入射角度處于30°~45°時較合理，入射角小于30°時，底板熔深太小，影響接頭強度；入射角大于45°時，焊縫熔深太大，使底板焊透，同時造成接頭不完全包覆。隨著激光功率的增加，焊接熔深逐步增大，當激光功率達到2200 W時，T型接頭實現雙側焊縫包覆，焊接性能較好。當焊接速度為0.8 m/min時，出現咬邊缺陷；當焊接速度達到1.2 m/min時，無法實現焊接接頭兩側的完好包覆。

激光焊接；T型接頭；鋁合金；焊接參數

高強鋁合金薄壁焊接結構越來越多地應用到航空、航天、船舶等領域[1-2]。高強鋁合金T型激光焊接除了具有一般激光焊接的特點外，其兩側傾斜焊縫的相互作用與焊縫形貌特征使其具有自身特點。Squillace等[3]研究了不同成分焊絲對接頭力學性能的影響，結果表明其對焊縫成形、拉伸性能及斷裂行為影響顯著。Schumacher等[4]指出光束入射位置對接頭的成形質量及其力學性能影響顯著。Tao等[5]研究了送絲工藝對鋁合金T型接頭激光焊接的影響，研究表明采用較小的送絲角度時氣孔缺陷較少。陳潔等[6]研究了雙側分別焊接的T型接頭力學性能，指出接頭拉伸強度由焊縫熔深與焊腳尺寸決定。楊志斌等[7]指出鋁合金雙側激光同步焊接T型接頭的焊縫質量與激光功率、焊接速度及送絲速度等工藝參數相關。何恩光[8]分析了線能量對殘余應力分布規(guī)律的影響，結果表明激光焊接線能量增加時，縱向殘余拉應力峰值降低，而橫向殘余應力峰值隨著線能量的增加而變大，T型接頭殘余應力總體分布趨勢與對接接頭殘余應力分布規(guī)律類似。許良紅等[9]研究了多種形式鋁合金的力學性能，結果表明鋁合金元素的蒸發(fā)導致了焊接接頭的軟化。

本文研究了激光功率、焊接速度和激光入射角度對焊縫形貌的影響，得出激光焊接T型接頭的優(yōu)化方向，為激光焊接T型接頭提供技術支撐。

1 實驗條件

實驗采用高光束DC030 Slab CO2激光器，主要技術參數見表1。T型接頭的焊接形式見圖1，采用2A12硬鋁合金試片，底板尺寸為400 mm×50 mm×1.5 mm，立板尺寸為 400 mm×50 mm×2 mm，母材的化學成分見表2。

表1 激光器主要技術參數

表2 2A12試片主要化學成分

圖1 T型接頭焊接形式示意圖

先用丙酮清洗去除試片油污，再以化學清洗方法去除其表面氧化膜，用清水洗凈后待焊。在激光焊接過程中，采用設計的工裝夾具固定試片，把激光頭偏轉一定的角度，調試好位置，先從一側焊接，待焊好之后再進行另一側的焊接。受T型接頭熔池位置及其形狀的影響，熔池熔液具有流動性，在重力作用下易在焊縫處形成向里的凹陷，給焊縫成形帶來困難，因此，焊后采用光學金相顯微鏡等測試手段對焊縫形貌特征進行分析。

2 實驗結果分析

2.1 激光入射角度對焊縫形貌的影響

以平板焊接時的最佳工藝參數為參考，T型焊接接頭采用連續(xù)焊接方式，焊接工藝參數見表3。改變激光束與底板的角度α進行焊接實驗，研究激光入射角度對焊縫形貌的影響。

表3 T型焊接工藝參數

選取激光入射角度α在15°～60°之間，以此進行焊接實驗。當激光在立板的偏移量為0（激光光斑均作用在T型接頭底板及立板的交線上），激光功率為2200 W，焊接速度為1 m/min，激光入射角度分別為 15°、30°、45°、60°時的焊縫形貌見圖 2。 可見，當α＜30°時，保護氣對等離子體的影響較大，易造成焊接過程不穩(wěn)定；底板熔深太小，影響接頭強度；匙孔傾斜較小，更易塌陷閉合。當α＞45°時，焊縫熔深太大，使底板焊透，造成焊縫的無效熔深變大，能量的有效利用率低，且熔池傾斜角度過大，造成接頭不完全包覆。

圖2 不同激光入射角度下的焊縫形貌

2.2 激光功率對焊縫形貌的影響

當焊接速度為1 m/min，激光入射角度為30°，激光功率分別為 1800、2000、2200、2400 W 時的焊縫形貌見圖3。可見，隨著激光功率的增加，焊接過程中的能量輸入增大，液態(tài)熔池停留時間較長，焊接熔深逐步增加。當激光功率達到2200 W時，焊接頭實現了雙側焊縫包覆，焊接性能較好；當激光功率為2400 W時，焊接接頭雙側包覆，焊縫飽滿。

圖3 不同激光功率下的焊縫形貌

2.3 焊接速度對焊縫形貌的影響

當激光功率為2400 W，激光入射角度為30°，焊接速度分別為 0.8、1.0、1.2、1.5 m/min 時的焊縫形貌見圖4?？梢?，隨著焊接速度的增加，激光作用時間變短，焊接過程中的能量輸入變小，熔池變小，不能有效實現接頭兩側焊縫的包覆，且焊縫熔深小、焊接質量差。當焊接速度為0.8 m/min時，熔池波動劇烈，易產生咬邊缺陷；當焊接速度達到1.2 m/min時，無法實現焊接接頭兩側焊縫的完好包覆，影響接頭的焊接質量。

圖4 不同焊接速度下的焊縫形貌

3 結論

為保證T型焊接接頭熔深、熔寬適當并有效實現T型焊接接頭兩側焊縫的包覆，本文通過實驗研究了激光入射角度、激光功率、焊接速度對焊縫形貌的影響規(guī)律，得出如下結論：

（1）激光入射角度 α 應在 30°～45°范圍內。 若α＜30°，則底板熔深太小，影響接頭強度；若 α＞45°，易導致焊縫熔深太大，使底板焊透，同時造成接頭不完全包覆。

（2）隨著激光功率的增加，焊接熔深逐步增大，當激光功率為2200 W時，焊接頭實現了雙側焊縫包覆，焊接性能較好。

（3）隨著焊接速度的增加，焊接過程中能量輸入較小，不能有效實現兩側焊縫的包覆，焊接質量較差。當焊接速度為0.8 m/min時，熔池波動劇烈，易產生咬邊缺陷；當焊接速度達到1.2 m/min時，無法實現焊接接頭兩側焊縫的完好包覆，影響接頭的焊接質量。

[1]LEYENS C，PETERS M.Titanium and Titanium alloys：fundamentals and applications[M].Weinheim:WILEY-VCH Verlag Gmb H and CoK Ga A，2003.

[2]TOFTEGAARD H，LYSTRUP A.Design and test of lightweight sandwich T-joint for naval ships[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2005，36（8）：1055-1065.

[3]SQUILLACE A，PRISCO U.Influence of filler material on micro-and macro-mechanical behavior of laser-beam-welded T-jointforaerospace application [C]//Proceedingsofthe Institution of Mechanical Engineers.Part L：Journal of Materials：Design and Applications，2009，223：103-115.

[4]SCHUMACHER J，ZERNER Ierner，NEYE G，et al.Laser beam welding of aircraft fuselage panels[C]//Scottsdale：Proc.ICALEO，2002：2567-2576.

[5]TAO Wang，YANG Zhibin，CHEN Yanbin，et al.Double-sided fiber laser beam welding process of T-joints for aluminum aircraft fuselage panels:filler wire melting behavior,process stability,and their effects on porosity defects[J].Optics and Laser Technology，2013，52：1-9.

[6]陳潔，楊志斌，占小紅，等.鋁合金T型接頭激光雙側填絲焊接工藝研究[J].應用激光，2011，31（2）：130-134.

[7]YANG Zhibin，TAO Wang，LI Liqun，et al.Double-sided laser beam welded T-joints for aluminum aircraft fuselage panels:Process,microstructure,and mechanical properties[J].Mater Design，2012，33：652-658.

[8]何恩光，鞏水利，吳冰，等．激光焊接T型接頭殘余應力測試[J]．電加工與模具，2010（6）：32-35.

[9]許良紅，田志凌，彭云，等．高強鋁合金的激光焊接頭組織及力學性能[J]．中國激光，2008，35（3）：456-461.

Experimental Study on Laser Beam Welding for the Aluminum Alloy T-joints

LIU Tianliang，TIAN Cailan，DONG Peng，LIANG Xiaokang，LUO Zhiwei
（Capital Aerospace Machinery Company，Beijing 100076，China ）

Influences of laser incidence angle，laser power and welding speed on welding appearance of laser beam welded Aluminum Alloy T-joints were systematically investigated.The study results showed that laser incidence angle was reasonable when it between 30°~45°.When laser incidence angle was less than 30°，bottom board weld penetration was so small that joint strength disqualification.When laser incidence angle was more than 45°，weld penetration was so deep that bottom board was welded through，and angle was so big that vertical slab can′t fusion completely.With laser power increase，weld penetration was also increase.When laser power was 2200 W，two sides T joints fuse together，at the same time welding joints had high quality.The last，when the welding speed was 0.8 m/min，welding undercut defects was happened.When the welding speed was 1.2 m/min，two sides welding joints can′t fuse together.

laser beam welding；T-joint；aluminum alloy；welding parameter

TG457

A

1009－279X（2017）05－0043-03

2017-07-02

劉天亮，男，1985年生，工程師。