6061铝合金薄板搭接激光搅拌焊接工艺研究

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铝合金具有密度小、比强度高、比模量大、成形性好、耐腐蚀性能优良等优点,是一种理想的汽车车身轻量化材料。激光搅拌焊接是一种新兴的激光焊接工艺,相较于传统激光焊接,该工艺通过调控光斑扫描路径,增加了匙孔稳定性、促进了熔池流动、拓展了熔池面积,较大程度地缓解了铝合金激光焊接气孔缺陷多发的问题,在汽车车身上具有广泛的应用前景。本文研究了汽车车身用6061铝合金薄板搭接激光搅拌焊接工艺,分析了激光搅拌轨迹、搅拌振幅和搅拌频率对焊缝成形、接头显微组织、气孔缺陷和力学性能的影响规律,获得了成形和性能良好搭接接头的焊接工艺窗口,对汽车车身铝合金薄板搭接激光搅拌焊接工艺的应用具有重要指导意义。本文的主要工作如下:(1)研究了搅拌工艺参数对铝合金薄板搭接激光搅拌焊接焊缝宏观成形的影响。(1)通过计算焊接过程中输入能量空间分布以及分析熔池表面流动行为,分析了搅拌轨迹对焊缝成形的影响,研究发现:∞形激光搅拌轨迹相比于线形、圆形、8形激光搅拌轨迹,焊缝表面成形较好,搭接面熔合最好。(2)基于∞形激光搅拌轨迹,分析了搅拌振幅和搅拌频率对焊缝成形的影响,研究发现:搅拌振幅和搅拌频率过大或过小均会使得焊缝成形变差,过大易出现表面空隙、飞溅、下榻等缺陷,过小易出现表面空隙、搭接面未熔合等缺陷。搅拌振幅为1.5-2mm且搅拌频率为100-200Hz范围时,焊缝表面成形和搭接面熔合均较好。(3)针对1mm(上板)和2mm(下板)厚铝合金搭接激光搅拌焊接工艺,获得的最好工艺参数为:∞形轨迹,4000W激光功率,45mm/s焊接速度,零离焦量,25L/min保护气(氩气),搅拌振幅为2mm,搅拌频率为100Hz,其焊缝成形表现为:焊缝表面鱼鳞纹形状规则且分布规律,焊缝表面平整熔宽均匀,无表面空隙、下榻、飞溅、裂纹等宏观可见的焊接缺陷;搭接面熔宽和焊缝熔深最大,焊缝熔宽比小,焊缝搭接面熔合最好,熔深比小,焊缝深熔显著。(2)研究了搅拌工艺参数对铝合金薄板搭接激光搅拌焊接接头微观组织、气孔缺陷和力学性能的影响。研究表明:(1)相比于传统激光焊接,激光搅拌焊接焊缝中心的等轴晶粒较细小,主要归因于激光搅拌作用导致的成分过冷增加和熔体对流加剧。(2)激光搅拌焊接过程中匙孔开口较大且波动相对稳定、熔池范围增大并有序流动,有利于为熔池中气泡逸出提供条件,从而抑制了气孔缺陷的产生。(3)接头焊缝中心显微硬度最小,接头发生了较为明显的软化现象。(4)搭接激光搅拌焊接接头存在拉伸断裂和剪切断裂两种形式,且拉伸断裂接头承载能力更强,其裂纹在搭接接头的咬边和内凹缺陷处产生,沿部分熔化区的粗大柱状晶晶界扩展。断口形貌表明拉伸断裂属于包含微观韧性断裂和微观脆性断裂的混合型断裂,剪切断裂属于韧性断裂。
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