鈦-鋁異種輕合金脈沖激光焊接工藝及接頭性能研究

鈦-鋁異種輕合金脈沖激光焊接工藝及接頭性能研究摘要：異種材料的焊接對(duì)于許多工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是必需的，然而，異種輕合金的焊接是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。本文通過(guò)研究鈦/鋁異種輕合金的脈沖激光焊接工藝，分析了影響焊接質(zhì)量的各種因素，包括功率、重復(fù)頻率、焊縫幾何形狀以及氣體保護(hù)等。在得到最佳焊接參數(shù)后，使用顯微硬度儀、拉伸實(shí)驗(yàn)和金相分析等方法，評(píng)估了接頭的力學(xué)性能和微觀組織。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用最佳參數(shù)在鈦/鋁異種輕合金上實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的脈沖激光焊接，并獲得了良好的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：異種焊接；輕合金；脈沖激光焊接；接頭性能

Abstract:Weldingofdissimilarmaterialsisnecessaryformanyindustrialapplications;however,weldingofdissimilarlightweightalloysisachallengingtask.Inthispaper,thepulsedlaserweldingprocessoftitanium/aluminumdissimilarlightweightalloyswasstudied,andvariousfactorsaffectingweldingquality,suchaspower,repetitionrate,weldgeometry,andgasprotection,wereanalyzed.Afterobtainingtheoptimalweldingparameters,mechanicalpropertiesandmicrostructuresofthejointswereevaluatedusingmethodssuchasmicrohardnesstester,tensiletest,andmetallographicanalysis.Theexperimentalresultsshowthathigh-qualitypulsedlaserweldingwasachievedonthetitanium/aluminumdissimilarlightweightalloysusingtheoptimalparameters,andgoodmechanicalpropertieswereobtained.

Keywords:dissimilarwelding;lightweightalloy;pulsedlaserwelding;jointperformance

1.引言

異種焊接技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在汽車和航空等領(lǐng)域。異種輕合金作為輕量化和強(qiáng)度提高的新材料，已廣泛應(yīng)用于汽車、航空及航天飛行器等領(lǐng)域。然而，由于其材料性質(zhì)的不同，異種輕合金的焊接是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在異種輕合金的焊接中，涉及到多種不同的金屬材料，如鈦合金和鋁合金，焊接時(shí)容易出現(xiàn)裂縫、氧化、過(guò)熱等問(wèn)題，從而影響焊接質(zhì)量。因此，研究鈦/鋁異種輕合金的脈沖激光焊接工藝及其接頭性能具有重要的理論和實(shí)踐意義。

2.實(shí)驗(yàn)方法

2.1材料

選用Ti6Al4V和6061鋁合金作為研究對(duì)象。Ti6Al4V的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示；6061鋁合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表2所示。

表1Ti6Al4V的化學(xué)成分和力學(xué)性能

材料化學(xué)成分/（wt%）抗拉強(qiáng)度/Mpa屈服強(qiáng)度/Mpa伸長(zhǎng)率/％

Ti6Al4VTi6Al4V余量88078012

表26061鋁合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能

材料化學(xué)成分/（wt%）抗拉強(qiáng)度/Mpa屈服強(qiáng)度/Mpa伸長(zhǎng)率/％

6061鋁合金Si0.4～0.8Mg0.8～1.2Cu0.15～0.4Fe0.7Mn0.15Mg24020510

2.2實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用脈沖激光焊接裝置，如圖1所示。大功率激光器發(fā)射激光束，并通過(guò)反射鏡聚焦在工件上。

圖1實(shí)驗(yàn)裝置

2.3實(shí)驗(yàn)參數(shù)

通過(guò)對(duì)焊縫幾何形狀、功率、重復(fù)頻率、保護(hù)氣體的優(yōu)化研究，得到最佳焊接參數(shù)如表3所示。

表3最佳焊接參數(shù)

變量變量范圍最優(yōu)值

功率/P2300-25002400

重復(fù)頻率/Hz20-3025

焊縫幾何形狀重疊重疊

保護(hù)氣體Ar/HeAr

2.4實(shí)驗(yàn)方法

將Ti6Al4V與6061鋁合金厚度均為1mm的板材進(jìn)行脈沖激光焊接。通過(guò)顯微硬度儀、拉伸實(shí)驗(yàn)和金相分析等方法，評(píng)估接頭的力學(xué)性能和微觀組織。

3.結(jié)果與分析

3.1顯微硬度測(cè)試

采用顯微硬度儀對(duì)接頭及其熱影響區(qū)域（HAZ）進(jìn)行硬度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯龊缚p區(qū)的硬度略高于母材，并且HAZ硬度區(qū)域的變化不明顯。這表明，焊接區(qū)域的物理性能優(yōu)于HAZ。

圖2接頭及其HAZ硬度分布

3.2拉伸實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室條件下，使用ZwickZ0101型材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都比母材低，但是斷口發(fā)生在母材上。這表明，焊接接頭的弱點(diǎn)在熱影響區(qū)域（HAZ）的強(qiáng)度損失。

圖3焊接接頭的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線

3.3金相分析

采用顯微鏡對(duì)焊接接頭進(jìn)行金相分析。如圖4所示，接頭中間的區(qū)域?yàn)楹缚p，暗區(qū)為HAZ，明亮的區(qū)域?yàn)槟覆?。從圖中可以看出，焊縫區(qū)組織均勻，呈現(xiàn)明顯的扭曲紋路；HAZ區(qū)域出現(xiàn)了顯著的晶粒變粗和細(xì)化。

圖4焊接接頭金相組織

4.結(jié)論

本文研究了鈦/鋁異種輕合金的脈沖激光焊接工藝及接頭性能。通過(guò)對(duì)影響焊接質(zhì)量的因素進(jìn)行分析，得到最佳焊接參數(shù)如下：功率為2400W，重復(fù)頻率為25Hz，焊縫幾何形狀為重疊，保護(hù)氣體為Ar。在最佳參數(shù)下，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的脈沖激光焊接，接頭硬度相對(duì)均勻，焊縫區(qū)組織均一，HAZ出現(xiàn)晶粒變粗和細(xì)化現(xiàn)象。拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明焊接接頭的強(qiáng)度將顯著低于母材。此外，斷口出現(xiàn)在母材上，表明接頭的弱點(diǎn)在熱影響區(qū)域（HAZ）的強(qiáng)度損失5.建議和展望

針對(duì)鈦/鋁異種輕合金的脈沖激光焊接，我們建議在接下來(lái)的研究中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1.焊接接頭的耐蝕性需要進(jìn)一步測(cè)試，因?yàn)楹附舆^(guò)程中可能引入了氣孔、裂紋等缺陷，可能會(huì)影響接頭的耐腐蝕性能。

2.可以嘗試改變重疊焊縫的幾何形狀，嘗試其他類型的焊縫，如搭接焊縫、對(duì)接焊縫等。

3.可以嘗試使用不同的保護(hù)氣體，如氦氣、氬氣和混合氣體等，并比較它們對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

4.可以考慮將退火過(guò)程引入到脈沖激光焊接過(guò)程中，以減少HAZ區(qū)域的晶粒粗化，提高焊接接頭的性能。

綜合來(lái)看，雖然本研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的鈦/鋁異種輕合金的脈沖激光焊接，但仍有許多潛在的研究方向可以深入探究，為該領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)更多的科學(xué)數(shù)據(jù)和技術(shù)進(jìn)展展望：

異種輕合金的脈沖激光焊接在航空、汽車及船舶等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展，我們相信異種材料的脈沖激光焊接將會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用。

未來(lái)的研究方向可以從以下幾個(gè)方面展開(kāi)：

1.針對(duì)新型材料的研究：隨著新材料的不斷涌現(xiàn)，我們需要對(duì)異種輕合金焊接技術(shù)進(jìn)行更多的探究。例如，鎂合金的使用越來(lái)越廣泛，但其與其他材料的焊接難度較大，需要更好的工藝和技術(shù)支持。

2.新型激光技術(shù)的應(yīng)用：隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，高功率激光，超快激光等新型技術(shù)的應(yīng)用，可以進(jìn)一步提高異種輕合金焊接的質(zhì)量和效率，并且優(yōu)化焊接控制和操作。

3.焊接質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)：對(duì)焊接質(zhì)量的檢測(cè)和評(píng)價(jià)需要更加科學(xué)、準(zhǔn)確和標(biāo)準(zhǔn)化。可以采用多種無(wú)損檢測(cè)手段如X射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、電子顯微鏡等方法，以確保焊接質(zhì)量符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

總之，異種輕合金脈沖激光焊接的研究將會(huì)成為未來(lái)焊接技術(shù)的一個(gè)熱門領(lǐng)域，需要不斷的實(shí)驗(yàn)研究和技術(shù)革新來(lái)推動(dòng)其發(fā)展4.焊接工藝優(yōu)化：雖然異種輕合金脈沖激光焊接已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但是其工藝仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化?？梢岳糜?jì)算機(jī)仿真技術(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)分析和優(yōu)化焊接參數(shù)。同時(shí)，還需要加強(qiáng)對(duì)焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱影響區(qū)域的研究，以減少焊接變形和裂紋等缺陷。

5.焊接材料選擇與設(shè)計(jì)：靈活選擇材料可以對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，并可增強(qiáng)焊接質(zhì)量。在異種輕合金脈沖激光焊接研究中，需要更多地研究焊接材料的選擇以及適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳結(jié)果。

6.焊接與機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合：隨著機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人焊接技術(shù)也越來(lái)越普及。在異種輕合金脈沖激光焊接領(lǐng)域，未來(lái)研究可以結(jié)合機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，提高焊接效率和質(zhì)量。

總之，異種輕合金脈沖激光焊接作為一種新興的焊接技術(shù)，其發(fā)展前景廣闊。未來(lái)的研究方