惰性气体和激光焊接比较

惰性气体和激光焊接比较
【摘要】与钨极惰性气体保护焊工艺相比，激光束焊接的低热量输入有效地减少熔合区和热影响区。相比于TIG焊接过程，LB焊接的高的加热速度和冷却速度阻碍了晶粒长大，并且在LB焊中镁蒸发量相对较少。试验表明，LB焊接表现出优异的机械性能，其焊接工艺更适合AA5083-H321铝合金焊接。
 
【关键词】铝合金；激光焊接；机械性能
 
1、引言
 
在5000系列铝合金中，主要合金元素是镁，是铝的最有效和广泛使用的添加剂之一。镁的含量高达约5%，这也提高了铝合金元素的可焊合金的性能，锰可与镁合成以增加合金的强度。因此，如果设计制造一种具有尽可能高的制造焊接强度和延展性的熔焊合金，如5086，5083和5456这种合金是最好的选择。
 
铝合金的激光束焊接的困难在于它高的反射率，在焊接金属过程中容易发生汽化造成气孔形成。对激光束的焊接厚度5mm珠上板焊缝的机械性能进行了研究，在同一合金的TIG焊缝进行了测试。研究焊接工艺过程对机械性能的影响，对拉伸试验和焊接接头及母材金属的微硬度进行了测量。
 
2、实验过程
 
在LB焊接应用于5毫米厚的非热处理的采用3.5千瓦的CO2激光器铝合金AA5083-H321。珠上板与焊缝全焊透被执行。板被切割成尺寸300×150毫米的条状。该板的表面是用金属丝刷和丙酮清洗。激光束被聚焦在焊接板的表面上。珠上板焊缝已于自发使用交流电TIG焊用标准的2%钍钨电极的铝合金板制成。焊接后，将使用电火花切割机对样品横跨焊缝进行金相分析和拉伸试验。横向拉伸试样的形状和尺寸制备参照ASTM-E8标准。在每种条件下，三个试样均已在室温下进行测试。
 
优于拉伸试验，横跨焊缝、热影响区（HAZ）和偏碱金属的维氏硬度型材已经使用自动微硬度测试仪在1千克力的负载沿拉伸试样的横截面的中心线15秒下测量了。在基体金属的化学组成中，TIG和LB焊缝的样品用是真空光学发射光谱仪火花测定。化学组合物采取对焊缝两个位置的平均读数。
 
3、实验结果
 
（1）拉伸性能
 
对LB焊件的拉伸性能与这些基板和TIG焊接进行了比较。一般情况下，TIG和LB焊缝的拉伸性能劣于基体金属性质。所有的TIG和LB的焊接在熔融区域不合格，而不是在基体金属的拉伸试样。横向拉伸性能如屈服应力，极限拉伸强度和AA5083-H321铝合金接头的伸长率进行了评价。母材的屈服强度和抗拉强度分别为262兆帕和291兆帕。但是TIG的屈服强度和抗拉强度的焊接接头分别是176兆帕和266兆帕。这表明，在TIG焊接中，降低33%屈服强度和9%拉伸强度。LB的屈服强度和抗拉强度的焊接试样分别是222兆帕和246兆帕。这表明，由LB焊接这两个屈服强度和拉伸强度下降15%。LB焊缝的焊接屈服强度比TIG焊的焊缝屈服强度焊接样品26%更好。延展性是伸长率或面积减少率的量度。TIG和LB焊缝的延伸率也小于该基体金属。无论氩弧焊和LB焊缝的韧性是其母材的50%左右。
 
（2）硬度
 
TIG焊件的强度的减少在硬度方面中得到很好的体现。与此相反，这不能体现LB焊件的强度的降低。在TIG焊接的情况下，焊接区的硬度减少22%，而在LB焊接的情况下观察到有硬度增加9%。
 
（3）汽化
 
在TIG的熔合区，焊接试样中39%的镁，16.5%的锰和18.3%的锌损失，而镁存在于LB焊接试样中的比率要比其母材金属的高14%（收益）。在LB焊接中锰损失约18.3%。同样的锌在LB损失焊接样品中的损失高达91.7%。
 
4、实验结果讨论
 
（1）焊道外观
 
LB的焊缝外观是比TIG焊的外观更好的焊接板。TIG焊的再凝固部分的宽度焊接近800毫米，而LB的焊接板的只有2毫米。在TIG的较宽的宽度焊接板负责熔池中合金元素多的蒸发，从而降低其拉伸性能。
 
（2）拉伸性能
 
TIG焊接的屈服强度的降低33%是由于镁，锰和锌从焊接熔化区的蒸发导致的，应变的损耗硬化效果由于熔焊，以及毛孔由于形成氢孔隙等的存在。然而，存在屈服强度降低较少的LB焊接，即从焊接熔化区的镁元素的应变硬化效应最小损耗的最小蒸发只有15%是由于熔合区和热影响区的宽度和在焊缝区的原因而更少。在LB焊接过程中，晶粒生长得以控制是由于非常快速的加热和冷却，也由于LB焊接速度控制在3.5米/分钟，而TIG焊接是一个缓慢的加热和冷却过程中，相比于LB焊接过程中的晶粒生长比较粗糙。
 
（3）硬度
 
在研究中，在LB焊接的熔合区更高的硬度值进行了观察。这可能是由于LB焊接工艺的晶粒细化效果。
 
（4）汽化
 
TIG焊接样品中39%镁的损失主要是因为在TIG焊接过程中屈服应力值下降。与此相反，在LB焊缝过程中镁的比例略有增加，主要是在LB焊接过程中增加屈服应力。镁比例的减少自然会影响焊接接头的抗拉性能。由于锰的蒸发损失也同时影响焊接的样品的拉伸性质。已观察到，由于锁孔的形成在LB焊接试样中锌的蒸发损失是更多的。
 
5、结论
 
从上述研究得出结论：
 
（1）LB焊缝抗屈强度比TIG焊接高26%，LB焊接UTS的成本比TIG焊低7.5%。TIG和LB焊缝的断裂伸长率的比例几乎相同。
 
（2）硬度方面，在TIG焊接的情况最低的硬度分布于熔融区域中，在LB焊接的情况下绝对最小硬度值分别位于基本金属。
 
（3）如镁这样的挥发性元素，在TIG焊接比在LB焊接的汽化更多，而锰和锌的汽化在LB焊接中更多。总结实验结果可以看出，与TIG焊焊接相比，LB焊接工艺更适合于AA 5083 - H321 焊接。