Al25Si4CuMg高硅铝合金脉冲激光焊接工艺及组织性能研究

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高硅铝合金由于其重量轻,优异的耐磨性能、耐热性能、较高的比强度、低热膨胀率以及优异的机械性能,在汽车、航空航天以及各类电子封装产品中运用越来越广泛。Al-25Si-4Cu-Mg高硅铝合金的焊接方法主要有钎焊、氩弧焊、搅拌摩擦焊、电子束焊以及激光焊等,由于激光焊具有自动化程度高、精准性高、接头变形小等特点,成为Al-25Si-4Cu-Mg等高硅铝合金的主要连接方法,其中脉冲激光焊接作为另一种能量输出方式的激光焊接,相比于连续激光焊接其优势主要体现在焊接热输入更低,热影响更小以及热变形更小等方面。但对Al-25Si-4Cu-Mg高硅铝合金的激光焊研究仅仅停留在工艺摸索,对能量输出方式变化等对其焊缝微观组织以及性能的影响研究还需进一步开展。本文采用脉冲激光器对2mm厚Al-25Si-4Cu-Mg高硅铝合金进行脉冲激光自熔焊试验,通过讨论不同焊接工艺参数(离焦量、峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率以及焊接速度等)对焊缝成形的影响,优化工艺参数得到成形良好的脉冲激光焊接接头,然后对脉冲激光焊缝进行微观组织研究。同时将脉冲激光焊接接头与脉冲激光重熔焊接接头和光纤连续激光焊接接头就微观组织和力学性能等进行详细地对比与分析。首先,通过研究同一焊缝的不同截面发现,在截面变化过程中,焊缝余高中部凹陷由无到有,凹陷量有小变大,焊缝上下熔宽以及焊缝腰宽随之增大,焊缝有效深度反而减小,焊缝背面凹陷量没有明显区别。接着对2mm厚Al-25Si-4Cu-Mg高硅铝合金表面进行脉冲激光自熔焊试验:得到脉冲焊接工艺参数对焊缝成形的影响,进而得到较优的工艺参数为:离焦量+4mm,峰值功率2600W,脉冲宽度12ms,脉冲频率18Hz和焊接速度7mm/s,最优焊缝焊斑纹理清晰,排列致密工整,较为美观,但焊缝背面有少量飞溅。其次对脉冲激光焊缝进行微观组织分析,发现由于焊缝各个区域冷却速度的不同,导致硅相尺寸会有差异,其中焊缝上部区域尺寸最小,焊缝中部区域尺寸最大,其他区域介于前两者之间。同时,在焊缝中发现均匀分布着Al2Cu相。随后对脉冲激光焊缝和脉冲激光重熔焊缝与光纤连续激光焊缝微观组织进行对比:在焊缝的上部、下部以及中部区域,硅相颗粒平均尺寸以及硅相颗粒平均间距由大到小排列依次为光纤连续激光焊接焊缝、脉冲激光焊接焊缝以及脉冲激光重熔焊接焊缝。光纤连续激光、脉冲激光以及脉冲激光重熔焊缝均存在Al2Cu相,且晶粒大小依次减小。紧接着对脉冲激光焊接接头与脉冲激光重熔焊接接头和光纤连续激光焊接接头进行力学性能对比:三者均可使焊缝区硬度值较母材得到明显提高,焊缝区平均硬度大小依次增大以及抗拉强度依次增大。最后对脉冲激光焊缝气孔形成以及其与连续激光焊缝气孔率和气孔大小作对比。发现对于Al-25Si-4Cu-Mg高硅铝合金,脉冲激光焊接相比光纤连续激光更能抑制气孔的产生。
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