易 珍 ，陳 俐 ，何恩光 ，常 明

（1. 武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 武漢430070；2. 中國(guó)航空制造技術(shù)研究院高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024）

我國(guó)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(qiáng)韌性、較好的熱穩(wěn)定性、耐損傷、可焊等特點(diǎn)，同時(shí)又具有良好的加工性能，在航空航天領(lǐng)域顯現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。相對(duì)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?yàn)榧す夂附邮且愿吣芰棵芏鹊募す庾鳛闊嵩?，?duì)金屬進(jìn)行熔化形成焊接接頭，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：熱輸入總量低、能量密度高；焊接速度快,對(duì)材料的熱損傷?。缓附拥臍堄鄳?yīng)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(guān)的研究主要集中在焊縫組織性能這一部分的分析，而對(duì)于焊接工藝、焊縫成形等方面的研究相對(duì)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(qiáng)弱，同時(shí)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(shí)際意義。本文采用光纖激光設(shè)備對(duì)2A97T3鋁鋰合金薄板進(jìn)行焊接試驗(yàn)，根據(jù)系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步研究了焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，并根據(jù)焊縫成形情況對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和優(yōu)化，對(duì)未來(lái)實(shí)際焊接2A97T3鋁鋰合金薄板時(shí)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(shí)際應(yīng)用和推廣。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備系統(tǒng)

1.1 激光焊接設(shè)備

試驗(yàn)采用美國(guó)IPG公司生產(chǎn)的YLS5000光纖激光器，最大功率為5000W，激光波長(zhǎng)為1070～1080nm。機(jī)械手型號(hào)為ABB IRB2400 M2000，該機(jī)械手可靠性強(qiáng)、操作周期短、精度高且通用性強(qiáng)，是目前應(yīng)用最廣的工業(yè)機(jī)械手之一。焊接保護(hù)氣為純度99.9%的氬氣，包括同軸保護(hù)和背保護(hù)。送絲系統(tǒng)為奧地利福尼斯公司生產(chǎn)的送絲機(jī)。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(yàn)材料

試驗(yàn)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(xué)成分如表1所示。焊前狀態(tài)為T(mén)3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(zhǎng)有關(guān)。

表1 2A97鋁鋰合金化學(xué)成分

2 激光自熔焊工藝參數(shù)分析

2.1 激光功率對(duì)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(biāo)準(zhǔn)，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(yàn)過(guò)程中，設(shè)定離焦量始終為0，本文僅考慮激光功率和焊接速度對(duì)焊縫成形的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果（圖3）可以看出：當(dāng)焊接速度不變時(shí)，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(wú)限增大，熔寬增大到一定程度后會(huì)保持不變或者略有減小。這主要是因?yàn)殡S著激光功率的增大，焊接熱輸入增大，熔化的母材量也會(huì)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(huì)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(duì)正面熔寬的變化影響不大，而對(duì)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(yīng)作為衡量焊縫成形的重要指標(biāo)。

比 較 圖 3（a）～（f），在 焊 接 速 度 較 低 時(shí)，如v1=1.2m/min，v2=1.5m/min，v3=1.8m/min時(shí)，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(shí)，如v4=2.1m/min，v5=2.4 m/min，v6=3.3m/min時(shí)，若想獲得無(wú)孔洞的深熔焊縫，與之相匹配的功率則選擇范圍較窄。這說(shuō)明，在激光焊接時(shí)若想獲得無(wú)孔洞的深熔焊縫，低速焊接時(shí)較容易匹配激光功率，而高速焊接時(shí)激光功率的匹配性較差。

2.2 焊接速度對(duì)焊縫熔寬及背寬比的影響

在工藝試驗(yàn)過(guò)程中，控制激光功率保持不變，改變焊接速度，測(cè)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(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)功率不變時(shí)，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(dāng)焊接速度增大到一定時(shí)，出現(xiàn)未焊透甚至熱導(dǎo)焊的現(xiàn)象。當(dāng)功率不變時(shí)，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(shí)，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(huì)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(guò)大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)因焊縫下塌而導(dǎo)致熔寬減小的現(xiàn)象。對(duì)于1.2mm厚的2A97T3鋁鋰合金，自熔焊縫正面熔寬最大可達(dá)2.9mm，背面熔寬最大可達(dá)2.3mm。

圖3 激光功率對(duì)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(lèi)：未焊透、深熔焊、穿孔的深熔焊縫。根據(jù)系統(tǒng)的工藝試驗(yàn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)繪制出自熔焊焊縫成形統(tǒng)計(jì)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(huì)形成深熔焊縫，熱輸入過(guò)大（功率過(guò)大或者焊速過(guò)低）會(huì)導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)焊穿的現(xiàn)象，反之，熱輸入過(guò)低則會(huì)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(huì)越來(lái)越窄。在實(shí)際應(yīng)用中，由于激光器實(shí)際情況不盡相同，應(yīng)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(shí)現(xiàn)激光深熔焊。

圖4 焊接速度對(duì)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(duì)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(dāng)線能量保持不變時(shí)，如圖6中E=480J/cm的線段,可知一般來(lái)說(shuō)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(huì)越大，也就是說(shuō)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?yàn)楣β屎退俣容^大時(shí)，其加熱強(qiáng)度比低功率、低速焊時(shí)要大，也就是說(shuō)加熱強(qiáng)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(yàn)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(shí)際焊接過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)激光器的實(shí)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(yù)判焊接參數(shù)變化時(shí)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(jì)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(duì)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(qiáng)度

硬度試驗(yàn)采用Wilson Hardness TukonTM2500-6自動(dòng)硬度測(cè)試機(jī)，試驗(yàn)載荷為200g，加載時(shí)間為10s。試驗(yàn)取3種焊接工藝參數(shù)下的焊縫截面測(cè)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(dāng)激光功率p=1.7kW時(shí)形成熱導(dǎo)焊焊縫，當(dāng)p=1.9kW和p=2.1kW時(shí)形成深熔焊縫。

根據(jù)圖7可知，不論是熱導(dǎo)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(dǎo)焊焊縫硬度明顯高于深熔焊的焊縫硬度。

拉伸試驗(yàn)采用GB/T2651-2008焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法，試樣拉伸尺寸如圖8所示。設(shè)備采用Z100電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。分別對(duì)2種工藝下的深熔焊縫進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，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(qiáng)度關(guān)系，母材強(qiáng)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(bào)告數(shù)據(jù)可知：對(duì)于深熔焊縫，平均屈服強(qiáng)度可達(dá)母材的69%，平均抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材的59%。當(dāng)p=2.1kW時(shí)，焊縫強(qiáng)度高于p=1.9kW時(shí)形成的焊縫，也就是熔寬和背寬比較大的深熔焊縫，其強(qiáng)度也會(huì)相對(duì)較高，而硬度的變化相對(duì)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(huì)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(guò)大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)因焊縫下塌而導(dǎo)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(qiáng)度報(bào)告

（2）激光功率和焊接速度在一定范圍內(nèi)均會(huì)形成深熔焊縫，熱輸入過(guò)大（功率過(guò)大或者焊速過(guò)低）會(huì)導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)焊穿的現(xiàn)象；反之，熱輸入過(guò)低則會(huì)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(huì)越來(lái)越窄。

（3）一般來(lái)說(shuō)，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(huì)越大，也就是說(shuō)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(dǎo)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(qiáng)度也會(huì)相對(duì)較高。

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