2060铝锂合金电流辅助激光填丝焊接工艺及组织性能研究

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2060-T8铝锂合金是一种新式轻量化航空材料,其具备密度低、比强度高、及低温性能优异等特性。目前航空用高强铝锂合金结构件主要通过铆接方式连接,不符合飞机的轻量化趋势。采用传统氩弧焊的方式进行连接存在焊接效率低、变形量大等问题。相比较而言,激光焊接具有焊接速度快、焊接结构变形小等优势,是实现高效、高质量连接铝锂合金的较为理想的方法。然而,激光焊接铝锂合金时存在气孔、热裂纹、接头软化等缺陷。本课题组已有的研究表明,焊接过程中向熔池通入外加电流可以影响焊缝成形,受此启发,本文的研究目的是探索2060新型铝锂合金的焊接工艺,并深入分析外加电流对焊缝组织及力学性能的影响。  本文先行针对2mm厚2060-T8铝锂合金薄板开展光纤激光填丝焊接工艺研究,填充5087(Al-Mg-Zr)焊丝。研究结果表明,结晶裂纹数量随激光功率与焊接速度的升高而升高,随送丝速度的升高有所下降。在优化的工艺参数条件下得到成形良好且无气孔、裂纹的焊接接头,焊接接头的平均抗拉强度为304.1MPa。相比于焊缝上部及下部,焊缝腰部等轴细晶区晶粒数量较多,且柱状晶尺寸较小,这是由于焊缝腰部的熔池流动相对较为缓慢导致边界层厚度较大。  在填丝焊试验的基础上进行直流电流辅助激光填丝焊,通过填充焊丝引入直流电流。研究结果表明,施加电流后,焊缝表面鱼鳞纹变得细密均匀,表明焊接过程更加稳定。同时,焊缝上、下熔宽趋于一致,焊缝结晶组织细化,熔合线附近等轴细晶区宽度减小。通过对焊缝中Mg元素的分布进行分析发现,直流电流的加入可以使熔池流动加强,从而使焊缝中的化学成分分布更加均匀。同时,电流的作用使晶粒更为细化。与无辅助电流相比,接头抗拉强度提高约5.8%。  选取直流电流辅助激光填丝焊试验得到的最优电流160A进行脉冲电流辅助激光填丝焊,由于设备可调参数范围的限制,脉冲频率分别选取50A、100A、150A、200A。分析发现,随着脉冲频率的增加,脉冲电流产生的电磁振荡更加剧烈,对枝晶的碎断效果逐渐明显,从而使组织细化程度提高。在电流160A,脉冲频率200Hz时,组织细化效果较好,焊缝边缘柱状晶转变为树枝晶,且焊缝中心等轴树枝晶存在球化趋势。脉冲电流作用下焊接接头的平均抗拉强度达到324.3MPa,较激光填丝焊接接头提高约6.6%;延伸率为0.8%,较激光填丝焊接接头提高约14.3%;断裂发生在焊缝区,呈脆性断裂特征。
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