活性激光焊工艺参数对合金元素烧损及微观性能的影响(附件)【字数：12046】
本文以车身轻量化为研究背景，提出了活性激光焊接铝合金的相应优势。进行不同工艺参数对于焊缝硬度以及Mg元素烧损的影响进行了分析，同时简要说明了焊缝中Mg元素含量与焊缝硬度的关系。试验结果表明改变激光功率、焊接速度，涂敷活性剂下焊缝区平均硬度均高于未涂敷活性下焊缝区平均硬度。涂敷活性剂的焊缝硬度随着激光功率、焊接速度的增大先增大后减小，随离焦量的增加而变大；未涂敷活性剂下焊缝平均硬度随离焦量、激光功率的增大而减小，却随着焊接速度的增大而增大。铝合金活性剂对接焊焊缝中，焊缝熔合区Mg含量较高，从母材到焊缝区Mg的含量降低，Si的含量增加；无活性剂下从母材到焊缝区Mg的含量略有减小，Si的含量明显减少，Al的含量略有增加。涂敷与未涂敷活性剂的焊缝中Mg元素含量都随着离焦量、激光功率和焊接速度的增大而减小。未涂敷活性剂时，焊接工艺参数变化时，Mg元素的含量降低，相应的焊缝硬度也降低。但当涂敷活性剂时，只有在焊接速度变化时，Mg元素的含量变化才与焊缝硬度变化趋势相一致。而当离焦量和激光功率发生变化时，在Mg元素含量降低时，相对应的焊缝硬度都存在一个先增大后减小的过程。关键词活性激光焊；Mg元素；铝合金
目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2铝合金焊接现状及存在问题 2
1.3焊接方法 3
1.3.1激光焊 3
1.3.2活性TIG焊 5
1.3.3活性MIG焊 5
1.3.4活性激光焊 5
1.3.4优缺点对比 6
1.4课题研究意义和内容 6
第二章 试验材料、设备以及试验方法 8
2.1试验材料 8
2.1.1 母材 8
2.1.2活性剂 8
2.2试验方法与设备 9
2.2.1激光焊接试验 9
2.2.2金相试样制备 10
2.2.3硬度值测量 10
2.2.4 SEM与XRD分析 11
2.3本章小结 11
第三章 激光工艺参数对焊缝区硬度的影响 12
3.1焊缝金相组织 12
3.2工艺参数对焊缝区硬度影响 12 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
3.2.1离焦量对焊缝区硬度的影响 12
3.2.2激光功率对焊缝区硬度的影响 14
3.2.3焊接速度对焊缝区硬度的影响 15
3.3本章小结 16
第四章 激光工艺参数对焊缝中Mg元素的烧损 17
4.1焊缝中合金元素的扩散与偏聚 17
4.2工艺参数对焊缝区Mg元素的影响 19
4.2.1离焦量对焊缝区Mg元素的影响 19
4.2.2激光功率功率对焊缝区Mg元素的影响 20
4.2.3 焊接速度对焊缝区Mg元素的影响 22
4.3本章小结 23
结论 25
致谢 26
参考文献 27
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
伴随着中国经济的腾飞，汽车逐渐走进了千家万户，在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。随着“环保节能”这一话题越来越受到政府和普通百姓的关注，减少CO2的排放和降低能源消耗就成为了汽车制造工业不得不面对的重大挑战。车身轻量化在汽车制造领域得到了广泛应用，总的来说，车身轻量化主要依靠三种方式：大规模使用强度高密度小的新材料，改进接头的设计方式和采用新的焊接方法。
新材料方面铝合金材料优势明显，较低的密度和较高的比强度，这些都让其成为了降低车身重量的合适材料。例如美国的福特公司，它在生产汽车时就积极的采用铝合金车身结构，如车架、车门等，与原来的钢铁车架相比，使用铝合金车身结构的汽车整体重量大大降低，例如Ford AIV车型，其总体大约减重320kg[1]。然而，完美的材料也是不存在的，铝合金的缺点也不容忽视，如其线膨胀系数较大，焊件变形及裂纹倾向也较大；较高的热导率、热膨胀系数和反射率，使得我们不得不采取能量密度很大的焊接方法。特别是对高速运作的汽车的批量生产来说,铝合金的这些特性使其焊接更具挑战性。为了提高铝合金的可焊接性，学者对激光焊、TIG焊和MIG焊等都进行了进一步的研究。随着激光焊接技术的发展，激光钎焊、激光电弧复合焊逐渐被应用和推广在汽车生产中[2 3]。激光焊接具有其他方法不具备的优点，如焊接热影响区小，工作效率高等 [4]。使用如CO2激光焊这类高能量密度的焊接方法进行激光拼焊板在汽车行业已经变得越来越常见，在有效的降低了整车重量，控制生产成本和部件数量的同时，还保证了车辆的结构刚度[5]。研究表明，使用激光拼焊板能够有效减少25%的整车重量。与其他合金元素如Cu、Si相比较，5XXX系列铝–镁合金中镁元素具有较低的熔点沸点和较高的蒸汽压。镁元素能够在增强铝强度的同时，也保证其良好的伸长率。同时，我们也不需要为了恢复焊缝强度而进行焊后热处理，镁元素的存在能够避免凝固裂纹的产生。总得来说，镁元素能够同时改变如蒸汽压力、表面张力、热导率等各种不同的特性，它的含量对于铝镁合金的可焊性影响很大。因此研究焊接工艺参数、焊缝中镁元素的烧损以及焊缝的硬度三者之间的联系变的十分有意义。
1.2 铝合金焊接现状及存在问题
铝合金由于其良好的性能被广泛应用于航空航天、汽车车身等的工业生产中。但是铝合金本身的局限性也使得铝合金焊接存在着一些难点[6]。为了更好的利用铝合金这一优良材料，国内外的专家学者们对铝合金加工工艺进行了大量的研究。
DuffetH[7]等人指出铝合金激光焊接过程中，熔池凝固速度过快是焊缝中产生热裂纹的关键，但是焊接质量的好坏主要是各种工艺参数综合作用的结果；同时他们还指出选择适当的焊接速度能有效的避免热裂纹的产生。A.Ancona[8]等人对AA5083 薄板进行激光对接焊试验时发现，当功率密度较小时，熔池内的匙孔不稳定，容易发生塌陷导致气孔增多，使焊缝的强度以及硬度降低。在使用较低焊接速度焊接时时，焊缝中的Mg元素的蒸发使得焊接接头软化。当焊接工艺参数为激光功率2500W、焊接速度100mm/s、保护气体为氦气时获得的焊缝质量较好，其焊缝硬度以及抗拉强度都有着很高的水平。与搅拌摩擦焊和钨极气体保护电弧焊相比，采用适当工艺参数的激光焊接有很大优势。Matsunawa A[9]等人在研究YAG激光点焊时，使用高速扫描摄像机观察了小孔与等离子的行为。研究发现，脉冲消失的瞬间，匙孔发生塌陷，保护气体和金属蒸汽无法逃逸出去而留在匙孔底部，随着熔池的冷却最后形成气孔。Pastor[10]等人发现焊缝金属强度由于镁带来的高蒸汽压而减少。镁元素对激光焊接熔深影响的报道相互矛盾。A.Haboudou[11] 等研究表明：阳极氧化和喷砂处理可以显著提高铝合金对激光的吸收率。Martukanitz[12]等人发现，在进行CO2激光焊接时，镁显著增加穿透力增加熔深，但是它却在使用YAG激光焊时仅仅只是产生了轻微的负面影响。Martukanitz、Smith[13]、Sakamoto和Shibata[14]都表示，镁元素有助于CO2激光焊接形成小孔，从而使铝镁合金具有较低的阈值光强和更好的光束耦合。部分国外学者[1518]还研究激光焊接过程中的合金元素的蒸发、气孔及裂纹的产生。
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第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2铝合金焊接现状及存在问题 2
1.3焊接方法 3
1.3.1激光焊 3
1.3.2活性TIG焊 5
1.3.3活性MIG焊 5
1.3.4活性激光焊 5
1.3.4优缺点对比 6
1.4课题研究意义和内容 6
第二章 试验材料、设备以及试验方法 8
2.1试验材料 8
2.1.1 母材 8
2.1.2活性剂 8
2.2试验方法与设备 9
2.2.1激光焊接试验 9
2.2.2金相试样制备 10
2.2.3硬度值测量 10
2.2.4 SEM与XRD分析 11
2.3本章小结 11
第三章 激光工艺参数对焊缝区硬度的影响 12
3.1焊缝金相组织 12
3.2工艺参数对焊缝区硬度影响 12 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
3.2.1离焦量对焊缝区硬度的影响 12
3.2.2激光功率对焊缝区硬度的影响 14
3.2.3焊接速度对焊缝区硬度的影响 15
3.3本章小结 16
第四章 激光工艺参数对焊缝中Mg元素的烧损 17
4.1焊缝中合金元素的扩散与偏聚 17
4.2工艺参数对焊缝区Mg元素的影响 19
4.2.1离焦量对焊缝区Mg元素的影响 19
4.2.2激光功率功率对焊缝区Mg元素的影响 20
4.2.3 焊接速度对焊缝区Mg元素的影响 22
4.3本章小结 23
结论 25
致谢 26
参考文献 27
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
伴随着中国经济的腾飞，汽车逐渐走进了千家万户，在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。随着“环保节能”这一话题越来越受到政府和普通百姓的关注，减少CO2的排放和降低能源消耗就成为了汽车制造工业不得不面对的重大挑战。车身轻量化在汽车制造领域得到了广泛应用，总的来说，车身轻量化主要依靠三种方式：大规模使用强度高密度小的新材料，改进接头的设计方式和采用新的焊接方法。
新材料方面铝合金材料优势明显，较低的密度和较高的比强度，这些都让其成为了降低车身重量的合适材料。例如美国的福特公司，它在生产汽车时就积极的采用铝合金车身结构，如车架、车门等，与原来的钢铁车架相比，使用铝合金车身结构的汽车整体重量大大降低，例如Ford AIV车型，其总体大约减重320kg[1]。然而，完美的材料也是不存在的，铝合金的缺点也不容忽视，如其线膨胀系数较大，焊件变形及裂纹倾向也较大；较高的热导率、热膨胀系数和反射率，使得我们不得不采取能量密度很大的焊接方法。特别是对高速运作的汽车的批量生产来说,铝合金的这些特性使其焊接更具挑战性。为了提高铝合金的可焊接性，学者对激光焊、TIG焊和MIG焊等都进行了进一步的研究。随着激光焊接技术的发展，激光钎焊、激光电弧复合焊逐渐被应用和推广在汽车生产中[2 3]。激光焊接具有其他方法不具备的优点，如焊接热影响区小，工作效率高等 [4]。使用如CO2激光焊这类高能量密度的焊接方法进行激光拼焊板在汽车行业已经变得越来越常见，在有效的降低了整车重量，控制生产成本和部件数量的同时，还保证了车辆的结构刚度[5]。研究表明，使用激光拼焊板能够有效减少25%的整车重量。与其他合金元素如Cu、Si相比较，5XXX系列铝–镁合金中镁元素具有较低的熔点沸点和较高的蒸汽压。镁元素能够在增强铝强度的同时，也保证其良好的伸长率。同时，我们也不需要为了恢复焊缝强度而进行焊后热处理，镁元素的存在能够避免凝固裂纹的产生。总得来说，镁元素能够同时改变如蒸汽压力、表面张力、热导率等各种不同的特性，它的含量对于铝镁合金的可焊性影响很大。因此研究焊接工艺参数、焊缝中镁元素的烧损以及焊缝的硬度三者之间的联系变的十分有意义。
1.2 铝合金焊接现状及存在问题
铝合金由于其良好的性能被广泛应用于航空航天、汽车车身等的工业生产中。但是铝合金本身的局限性也使得铝合金焊接存在着一些难点[6]。为了更好的利用铝合金这一优良材料，国内外的专家学者们对铝合金加工工艺进行了大量的研究。
DuffetH[7]等人指出铝合金激光焊接过程中，熔池凝固速度过快是焊缝中产生热裂纹的关键，但是焊接质量的好坏主要是各种工艺参数综合作用的结果；同时他们还指出选择适当的焊接速度能有效的避免热裂纹的产生。A.Ancona[8]等人对AA5083 薄板进行激光对接焊试验时发现，当功率密度较小时，熔池内的匙孔不稳定，容易发生塌陷导致气孔增多，使焊缝的强度以及硬度降低。在使用较低焊接速度焊接时时，焊缝中的Mg元素的蒸发使得焊接接头软化。当焊接工艺参数为激光功率2500W、焊接速度100mm/s、保护气体为氦气时获得的焊缝质量较好，其焊缝硬度以及抗拉强度都有着很高的水平。与搅拌摩擦焊和钨极气体保护电弧焊相比，采用适当工艺参数的激光焊接有很大优势。Matsunawa A[9]等人在研究YAG激光点焊时，使用高速扫描摄像机观察了小孔与等离子的行为。研究发现，脉冲消失的瞬间，匙孔发生塌陷，保护气体和金属蒸汽无法逃逸出去而留在匙孔底部，随着熔池的冷却最后形成气孔。Pastor[10]等人发现焊缝金属强度由于镁带来的高蒸汽压而减少。镁元素对激光焊接熔深影响的报道相互矛盾。A.Haboudou[11] 等研究表明：阳极氧化和喷砂处理可以显著提高铝合金对激光的吸收率。Martukanitz[12]等人发现，在进行CO2激光焊接时，镁显著增加穿透力增加熔深，但是它却在使用YAG激光焊时仅仅只是产生了轻微的负面影响。Martukanitz、Smith[13]、Sakamoto和Shibata[14]都表示，镁元素有助于CO2激光焊接形成小孔，从而使铝镁合金具有较低的阈值光强和更好的光束耦合。部分国外学者[1518]还研究激光焊接过程中的合金元素的蒸发、气孔及裂纹的产生。
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