惰性氣體和激光焊接比較
【摘要】與鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝相比，激光束焊接的低熱量輸入有效地減少熔合區(qū)和熱影響區(qū)。相比于TIG焊接過(guò)程，LB焊接的高的加熱速度和冷卻速度阻礙了晶粒長(zhǎng)大，并且在LB焊中鎂蒸發(fā)量相對(duì)較少。試驗(yàn)表明，LB焊接表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，其焊接工藝更適合AA5083-H321鋁合金焊接。
 
【關(guān)鍵詞】鋁合金；激光焊接；機(jī)械性能
 
1、引言
 
在5000系列鋁合金中，主要合金元素是鎂，是鋁的最有效和廣泛使用的添加劑之一。鎂的含量高達(dá)約5%，這也提高了鋁合金元素的可焊合金的性能，錳可與鎂合成以增加合金的強(qiáng)度。因此，如果設(shè)計(jì)制造一種具有盡可能高的制造焊接強(qiáng)度和延展性的熔焊合金，如5086，5083和5456這種合金是最好的選擇。
 
鋁合金的激光束焊接的困難在于它高的反射率，在焊接金屬過(guò)程中容易發(fā)生汽化造成氣孔形成。對(duì)激光束的焊接厚度5mm珠上板焊縫的機(jī)械性能進(jìn)行了研究，在同一合金的TIG焊縫進(jìn)行了測(cè)試。研究焊接工藝過(guò)程對(duì)機(jī)械性能的影響，對(duì)拉伸試驗(yàn)和焊接接頭及母材金屬的微硬度進(jìn)行了測(cè)量。
 
2、實(shí)驗(yàn)過(guò)程
 
在LB焊接應(yīng)用于5毫米厚的非熱處理的采用3.5千瓦的CO2激光器鋁合金AA5083-H321。珠上板與焊縫全焊透被執(zhí)行。板被切割成尺寸300×150毫米的條狀。該板的表面是用金屬絲刷和丙酮清洗。激光束被聚焦在焊接板的表面上。珠上板焊縫已于自發(fā)使用交流電TIG焊用標(biāo)準(zhǔn)的2%釷鎢電極的鋁合金板制成。焊接后，將使用電火花切割機(jī)對(duì)樣品橫跨焊縫進(jìn)行金相分析和拉伸試驗(yàn)。橫向拉伸試樣的形狀和尺寸制備參照ASTM-E8標(biāo)準(zhǔn)。在每種條件下，三個(gè)試樣均已在室溫下進(jìn)行測(cè)試。
 
優(yōu)于拉伸試驗(yàn)，橫跨焊縫、熱影響區(qū)（HAZ）和偏堿金屬的維氏硬度型材已經(jīng)使用自動(dòng)微硬度測(cè)試儀在1千克力的負(fù)載沿拉伸試樣的橫截面的中心線15秒下測(cè)量了。在基體金屬的化學(xué)組成中，TIG和LB焊縫的樣品用是真空光學(xué)發(fā)射光譜儀火花測(cè)定?；瘜W(xué)組合物采取對(duì)焊縫兩個(gè)位置的平均讀數(shù)。
 
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 
（1）拉伸性能
 
對(duì)LB焊件的拉伸性能與這些基板和TIG焊接進(jìn)行了比較。一般情況下，TIG和LB焊縫的拉伸性能劣于基體金屬性質(zhì)。所有的TIG和LB的焊接在熔融區(qū)域不合格，而不是在基體金屬的拉伸試樣。橫向拉伸性能如屈服應(yīng)力，極限拉伸強(qiáng)度和AA5083-H321鋁合金接頭的伸長(zhǎng)率進(jìn)行了評(píng)價(jià)。母材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為262兆帕和291兆帕。但是TIG的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的焊接接頭分別是176兆帕和266兆帕。這表明，在TIG焊接中，降低33%屈服強(qiáng)度和9%拉伸強(qiáng)度。LB的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的焊接試樣分別是222兆帕和246兆帕。這表明，由LB焊接這兩個(gè)屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度下降15%。LB焊縫的焊接屈服強(qiáng)度比TIG焊的焊縫屈服強(qiáng)度焊接樣品26%更好。延展性是伸長(zhǎng)率或面積減少率的量度。TIG和LB焊縫的延伸率也小于該基體金屬。無(wú)論氬弧焊和LB焊縫的韌性是其母材的50%左右。
 
（2）硬度
 
TIG焊件的強(qiáng)度的減少在硬度方面中得到很好的體現(xiàn)。與此相反，這不能體現(xiàn)LB焊件的強(qiáng)度的降低。在TIG焊接的情況下，焊接區(qū)的硬度減少22%，而在LB焊接的情況下觀察到有硬度增加9%。
 
（3）汽化
 
在TIG的熔合區(qū)，焊接試樣中39%的鎂，16.5%的錳和18.3%的鋅損失，而鎂存在于LB焊接試樣中的比率要比其母材金屬的高14%（收益）。在LB焊接中錳損失約18.3%。同樣的鋅在LB損失焊接樣品中的損失高達(dá)91.7%。
 
4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論
 
（1）焊道外觀
 
LB的焊縫外觀是比TIG焊的外觀更好的焊接板。TIG焊的再凝固部分的寬度焊接近800毫米，而LB的焊接板的只有2毫米。在TIG的較寬的寬度焊接板負(fù)責(zé)熔池中合金元素多的蒸發(fā)，從而降低其拉伸性能。
 
（2）拉伸性能
 
TIG焊接的屈服強(qiáng)度的降低33%是由于鎂，錳和鋅從焊接熔化區(qū)的蒸發(fā)導(dǎo)致的，應(yīng)變的損耗硬化效果由于熔焊，以及毛孔由于形成氫孔隙等的存在。然而，存在屈服強(qiáng)度降低較少的LB焊接，即從焊接熔化區(qū)的鎂元素的應(yīng)變硬化效應(yīng)最小損耗的最小蒸發(fā)只有15%是由于熔合區(qū)和熱影響區(qū)的寬度和在焊縫區(qū)的原因而更少。在LB焊接過(guò)程中，晶粒生長(zhǎng)得以控制是由于非?？焖俚募訜岷屠鋮s，也由于LB焊接速度控制在3.5米/分鐘，而TIG焊接是一個(gè)緩慢的加熱和冷卻過(guò)程中，相比于LB焊接過(guò)程中的晶粒生長(zhǎng)比較粗糙。
 
（3）硬度
 
在研究中，在LB焊接的熔合區(qū)更高的硬度值進(jìn)行了觀察。這可能是由于LB焊接工藝的晶粒細(xì)化效果。
 
（4）汽化
 
TIG焊接樣品中39%鎂的損失主要是因?yàn)樵赥IG焊接過(guò)程中屈服應(yīng)力值下降。與此相反，在LB焊縫過(guò)程中鎂的比例略有增加，主要是在LB焊接過(guò)程中增加屈服應(yīng)力。鎂比例的減少自然會(huì)影響焊接接頭的抗拉性能。由于錳的蒸發(fā)損失也同時(shí)影響焊接的樣品的拉伸性質(zhì)。已觀察到，由于鎖孔的形成在LB焊接試樣中鋅的蒸發(fā)損失是更多的。
 
5、結(jié)論
 
從上述研究得出結(jié)論：
 
（1）LB焊縫抗屈強(qiáng)度比TIG焊接高26%，LB焊接UTS的成本比TIG焊低7.5%。TIG和LB焊縫的斷裂伸長(zhǎng)率的比例幾乎相同。
 
（2）硬度方面，在TIG焊接的情況最低的硬度分布于熔融區(qū)域中，在LB焊接的情況下絕對(duì)最小硬度值分別位于基本金屬。
 
（3）如鎂這樣的揮發(fā)性元素，在TIG焊接比在LB焊接的汽化更多，而錳和鋅的汽化在LB焊接中更多。總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，與TIG焊焊接相比，LB焊接工藝更適合于AA 5083 - H321 焊接。