新型铝合金薄板对接激光焊接头性能.pdf

第33卷第12期
焊接学报
Vol33 No. 12
20 1 2+12 A TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION December 2012
新型铝合金薄板对接激光焊接头性能
占小红2,陈洁,陶汪,杨志斌,魏艳红,陈彦宾,欧文敏
(1.中国商飞上海飞机制造有限公司,上海200436;2.南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京210016;
哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨15000
摘要:以6156铝合金为主要研究对象,对比了其激光填丝焊与自熔焊各自特点,探
讨了焊缝表面成形、焊缝熔宽的影响因素及接头的抗拉强度与疲劳强度变化规律.结
果表明,功率在1800W左右,焊接速度在2-3.5mm/min,送丝速度在2-3.5mm/min
范围能获得较好的焊缝表面成形;接头焊后不经热处理抗拉强度可达314.3MPa,为母
材强度的81,3%,且有良好的抗疲劳性能;铝合金激光焊具有焊接速度高、焊缝成形美
观、焊接参数范围广的特点,是一种良好的焊接方式
关键词:激光焊接;铝合金;对接;填丝焊
中图分类号:TC456.7文献标识码:A文章编号:0253-360X(2012)12-0037-04
占小红
0序言
1试验方法
铝及铝合金激光焊接技术是最近十几年来才发
采用1.8m厚的6156铝合金薄板进行激光
展起来的一项新技术,与传统焊接技术相比,它在焊填丝焊接试验,试样尺寸为320mmx40mm×1.8
接质量、效率、可靠性、自动化等各方面都具有无可mm,填充焊丝为ER4047铝硅合金焊丝,成分见
比拟的优越性
表1.焊后对焊缝外观成形进行分析,采用金相显
近年来,随着大功率、高性能激光加工设备的不微镜观察分析焊缝显微组织,同时对焊缝的静载和
断研制成功,在工业发达国家的航空制造业中,铝合疲劳性能进行测试和分析
金激光焊接技术已经进入工程实用阶段.空中客
试验所采用的激光器为德国 ROFIN-SINAR公
车公司在A318,A340,A380等多种机型上采用了激司生产的射频激励扩散冷却CO2激光器.最大输出
光焊接的整体机身壁板制造技术取代原有的铆接工功率3.0kW,波长10.6um,最小光斑直径0.15
艺,极大地减轻了机身重量,并且提高了生产效率、mm,模式为TEMO1,其能量分布为高斯模式.试验
降低了制造成本2.而新型材料6156铝合金为Al-采用奥地利福尼斯( Fronius)送丝系统,送丝速度在
Mg-Si系列的中高强度铝合金,具有优良的延展性、0.03~-9.99m/min范围内精确可调,保证焊丝匀速
耐腐蚀性和良好的焊接性,目前正作为国内大型民平稳的送达焊接位置,试验过程中采用高纯度氮气
用客机机身蒙皮的主要备选材料之一.激光焊接铝进行保护
合金的技术,经过最近十几年的发展,逐渐成为实现
铝合金结构连接最具有技术和经济优势的方
试验结果分析
法,.国内外诸多学者针对铝合金激光焊接组织
与性能开展了大量研究?,而针对6156这一新型2.1焊接参数对焊缝成形的影响
材料的研究并不多见.文中针对6156机身蒙皮薄2.1.1送丝速度的影响
板结构,开展激光焊接工艺与性能研究,并重点考察
送丝速度是填丝激光焊的一个重要工艺参数
了焊接接头的拉伸与疲劳性能
合理选择送丝速度可以充分利用激光能量,提高生
产效率.送丝速度过慢将不能克服激光焊时的穿孔
收稿日期:2011-10-09
及上表面下塌等缺陷;而送丝速度过快则会导致焊
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50904038);国家商用飞机
制造工程技术研究中心创新基金资助项目(SAM2.缝下表面下塌,严重时甚至产生柱丝、堆丝等缺陷
15-009)
图1为在热输入一定的情况下,不同的送丝速度与
万方数据
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焊接学报
第33卷
表面熔宽、背面熔宽和表面余高的关系.
表16156铝合金和ER4047焊丝合金元素成分(质量分
数,%)
Table 1 Compositions in Al-alloy 6156 and welding wire
ER4047
图2激光填丝焊接焊缝外观及截面形貌
Si Fe Cu Mn Zn Ti Mg Al
Fig 2 External appearance and cross section of laser
61561.0
0.90.6
0.9余量
feeding welding
ER404711.520.20<0.0010.010.0010.010.01余量
2.2焊缝的拉伸性能
3.5
母材和接头的拉伸试验是在国产电子万能试验
3.0
机上进行,加载速度为2mm/min,最大加载载荷为
日2.5
表面熔宽
背面熔宽
100kN,试样尺寸依照中华人民共和国航空工业标
2.0
一表面余高
准HB5143-1996《金属室温拉伸试验方法》制定
1.5
6156铝合金激光焊接头拉伸试验结果见图3
对于填丝焊来说,最大抗拉强度为341.4MPa,最大
0.5
抗拉强度达到母材(387.5MPa)的88.1%;平均抗
0.0
l.5
拉强度为314.3MPa,为母材的81.3%.而自熔焊
送丝速度m·min)
接头强度普遍较低,其最大抗拉强度为248.3MPa,
平均抗拉强度196.3MPa,平均抗拉强度仅为母材
图1送丝速度与表画面熔宽、背面熔宽和表面余高的关系的50.65%,填丝焊与自熔焊的屈服强度都仅为母
Fig. 1 Influence of different wire feeding rate on surface
材的50%左右,这是由于6156铝合金母材为T6热
width, back width and excess height of weld seam
处理状态,时效热处理过程中析出的强化相分解且
冷却后来不及析出,使接头的屈服强度和断裂强度
由图1中可以看出,在热输入一定且送丝速度
显著下降
低于1.6m/min的情况下,焊缝熔宽随着送丝速度
的提高而迅速增加,在送丝速度高于1.6m/min以
450
后,随着送丝速度的提高,焊缝宽度先小后增加
400+.
这是因为,送丝速度提高一方面使填充金属量增加,
350
有使宽度增加的倾向;但另一方面较多的焊丝熔化
300
250
需要吸收更多的激光能量,使熔化母材吸收的能量
200
减少,因而有使熔池变窄的倾向
得150
2.1.2激光功率和焊接遮度的影响
100
自熔焊
填丝焊
母材
通过试验可以发现,6156铝合金能否有效实现
0
激光深熔焊接与激光功率关系密切,而对焊接速度
05101520253035
试样编号
和送丝量敏感性小.激光功率稍降低二三百瓦则不
能焊接,稍高二三百瓦则焊接过程异常不稳定.这
图3各个参数下的抗拉强度
是由于铝合金的高热导率和对激光的高反射率,使
Fig. 3