劉天亮，田彩蘭，董 鵬，梁曉康，羅志偉

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

鋁合金T型接頭激光焊接實(shí)驗(yàn)研究

劉天亮，田彩蘭，董 鵬，梁曉康，羅志偉

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

針對(duì)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(duì)T型接頭焊接形貌的影響。研究結(jié)果表明：激光入射角度處于30°~45°時(shí)較合理，入射角小于30°時(shí)，底板熔深太小，影響接頭強(qiáng)度；入射角大于45°時(shí)，焊縫熔深太大，使底板焊透，同時(shí)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(dāng)激光功率達(dá)到2200 W時(shí)，T型接頭實(shí)現(xiàn)雙側(cè)焊縫包覆，焊接性能較好。當(dāng)焊接速度為0.8 m/min時(shí)，出現(xiàn)咬邊缺陷；當(dāng)焊接速度達(dá)到1.2 m/min時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)焊接接頭兩側(cè)的完好包覆。

激光焊接；T型接頭；鋁合金；焊接參數(shù)

高強(qiáng)鋁合金薄壁焊接結(jié)構(gòu)越來越多地應(yīng)用到航空、航天、船舶等領(lǐng)域[1-2]。高強(qiáng)鋁合金T型激光焊接除了具有一般激光焊接的特點(diǎn)外，其兩側(cè)傾斜焊縫的相互作用與焊縫形貌特征使其具有自身特點(diǎn)。Squillace等[3]研究了不同成分焊絲對(duì)接頭力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明其對(duì)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(duì)接頭的成形質(zhì)量及其力學(xué)性能影響顯著。Tao等[5]研究了送絲工藝對(duì)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(shí)氣孔缺陷較少。陳潔等[6]研究了雙側(cè)分別焊接的T型接頭力學(xué)性能，指出接頭拉伸強(qiáng)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(cè)激光同步焊接T型接頭的焊縫質(zhì)量與激光功率、焊接速度及送絲速度等工藝參數(shù)相關(guān)。何恩光[8]分析了線能量對(duì)殘余應(yīng)力分布規(guī)律的影響，結(jié)果表明激光焊接線能量增加時(shí)，縱向殘余拉應(yīng)力峰值降低，而橫向殘余應(yīng)力峰值隨著線能量的增加而變大，T型接頭殘余應(yīng)力總體分布趨勢(shì)與對(duì)接接頭殘余應(yīng)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(xué)性能，結(jié)果表明鋁合金元素的蒸發(fā)導(dǎo)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(duì)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(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用高光束DC030 Slab CO2激光器，主要技術(shù)參數(shù)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(xué)成分見表2。

表1 激光器主要技術(shù)參數(shù)

表2 2A12試片主要化學(xué)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(xué)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(shè)計(jì)的工裝夾具固定試片，把激光頭偏轉(zhuǎn)一定的角度，調(diào)試好位置，先從一側(cè)焊接，待焊好之后再進(jìn)行另一側(cè)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(dòng)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(xué)金相顯微鏡等測(cè)試手段對(duì)焊縫形貌特征進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 激光入射角度對(duì)焊縫形貌的影響

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

表3 T型焊接工藝參數(shù)

選取激光入射角度α在15°～60°之間，以此進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。當(dāng)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(shí)的焊縫形貌見圖 2。 可見，當(dāng)α＜30°時(shí)，保護(hù)氣對(duì)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(qiáng)度；匙孔傾斜較小，更易塌陷閉合。當(dāng)α＞45°時(shí)，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(duì)焊縫形貌的影響

當(dāng)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(shí)的焊縫形貌見圖3?？梢?，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(shí)間較長(zhǎng)，焊接熔深逐步增加。當(dāng)激光功率達(dá)到2200 W時(shí)，焊接頭實(shí)現(xiàn)了雙側(cè)焊縫包覆，焊接性能較好；當(dāng)激光功率為2400 W時(shí)，焊接接頭雙側(cè)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(duì)焊縫形貌的影響

當(dāng)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(shí)的焊縫形貌見圖4?？梢?，隨著焊接速度的增加，激光作用時(shí)間變短，焊接過程中的能量輸入變小，熔池變小，不能有效實(shí)現(xiàn)接頭兩側(cè)焊縫的包覆，且焊縫熔深小、焊接質(zhì)量差。當(dāng)焊接速度為0.8 m/min時(shí)，熔池波動(dòng)劇烈，易產(chǎn)生咬邊缺陷；當(dāng)焊接速度達(dá)到1.2 m/min時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)焊接接頭兩側(cè)焊縫的完好包覆，影響接頭的焊接質(zhì)量。

圖4 不同焊接速度下的焊縫形貌

3 結(jié)論

為保證T型焊接接頭熔深、熔寬適當(dāng)并有效實(shí)現(xiàn)T型焊接接頭兩側(cè)焊縫的包覆，本文通過實(shí)驗(yàn)研究了激光入射角度、激光功率、焊接速度對(duì)焊縫形貌的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

（1）激光入射角度 α 應(yīng)在 30°～45°范圍內(nèi)。 若α＜30°，則底板熔深太小，影響接頭強(qiáng)度；若 α＞45°，易導(dǎo)致焊縫熔深太大，使底板焊透，同時(shí)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(dāng)激光功率為2200 W時(shí)，焊接頭實(shí)現(xiàn)了雙側(cè)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(shí)現(xiàn)兩側(cè)焊縫的包覆，焊接質(zhì)量較差。當(dāng)焊接速度為0.8 m/min時(shí)，熔池波動(dòng)劇烈，易產(chǎn)生咬邊缺陷；當(dāng)焊接速度達(dá)到1.2 m/min時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)焊接接頭兩側(cè)焊縫的完好包覆，影響接頭的焊接質(zhì)量。

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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。