光束扫描和微合金化对铝合金激光-电弧复合焊缝疲劳特性的影响研究

Laser-MIG hybrid welding of aluminum (Al) alloy is the research focus of large aircraft manufacturing, but the welding bead is with serious pores in welding thick plate, which significantly reduces the fatigue property of joints. This project puts forward to add beam oscillation and trace alloy element to improve the weld joint metallurgical defects, microstructure characteristics and residual stress in laser-MIG hybrid welding of Al alloy, which further improve the fatigue strength of weld joint. It focuses on the influence of beam oscillation parameters and alloy elements on molten pool flow, metallurgical defects, microstructure characteristics and residual learning performance. It establishes the selecting principle of welding process parameter in laser-arc hybrid welding of Al alloy. On this basis, the effects of laser-arc interaction, alloying degree, microstructure characteristics and residual stress on the fatigue strength of joints is studied, and the fatigue crack propagation and fracture failure mechanism are revealed. Finally, by summarizing the internal connection of laser-arc interaction, alloying degree and fatigue strength of weld joint, this project expounds the enhancing mechanism of fatigue strength in laser-MIG hybrid welding of Al alloy, and obtains the process control method. The results could provide basic theory for fatigue analysis and lightweight design of large aircraft structures.

铝合金激光-MIG复合焊接是大型飞机制造中的研究热点，但其厚板焊接存在严重的气孔问题，显著降低焊缝疲劳性能。本项目提出加入振荡扫描激光束及微量合金元素来改善铝合金激光-MIG复合焊缝冶金缺陷、组织特性及残余应力，并进一步提高焊缝疲劳强度。重点研究激光束扫描参量和合金元素对熔池流动、冶金缺陷、接头显微组织和静载力学性能的影响规律，确立铝合金激光-电弧复合焊接的工艺参数选择原则。在此基础上，研究热源耦合效应、合金化程度、显微组织和残余应力对焊缝疲劳强度的影响机理，揭示其疲劳裂纹扩展及断裂失效机制。最后，通过归纳总结复合焊接热源耦合效应、合金化程度和焊缝疲劳强度的内在关联，阐述铝合金激光-MIG复合焊接焊缝疲劳强度的增强机理，并掌握其工艺调控方法。研究成果能够为大型飞机结构的疲劳分析和轻量化设计提供理论依据。

铝合金激光-MIG复合焊接是航空航天制造中的研究热点，但其厚板焊接存在严重的气孔问题，显著降低焊缝力学性能。本项目提出加入振荡扫描激光束及微量合金元素来改善铝合金激光-MIG复合工艺特性的方法。获得成果如下：揭示了振荡扫描激光束作用下的熔池流动规律和传热传质机制，消除了焊缝偏析：对于激光扫描焊接，等轴晶比例最高达42.7%，比不扫描焊缝提高80.9%，等轴晶平均直径最小为21.2 μm，比不扫描焊缝降低43.3%。拉伸试样延伸率从3.0%增加至6.6%。掌握了塑料/不锈钢激光高效连接的方法和机制：发现PMZ相对于整个焊缝界面的面积占比是决定焊缝剪切强度的主要因素，当PMZ面积占比从35.9%提高到52%时，对应的焊缝剪切强度从2.9MPa 提高到了7.75MPa。C-O-Cr 化学键主导的结合力是界面结合的主要作用力，增大激光束振荡频率有利于增加PMZ面积占比。证明了激光切焊一体化制造铝合金的可行性：发现焊缝气孔率正比于切缝重熔层厚度d。当d小于136μm时，气孔率小于2%，达到B级焊缝标准，其影响机制主要受激光小孔净化效应和表面张力驱动的熔流特征影响。掌握了激光切焊一体化制造铝合金的性能增强方法：无论何种切缝类型，只要当d小于136μm时，焊缝抗拉强度达到250MPa以上，气孔率达到B级标准。研究了三维激光-MIG电弧复合焊接铝合金的工艺特性：在三维焊接中应采用向上斜立焊，且随着焊件倾角逐渐增大，优化电流范围逐渐缩窄，小孔稳定性提高、熔池拉长和熔流加速是导致这一变化的主要因素。另外，当β超过60°后，焊缝熔合区内的柱状晶消失，全部转变为等轴晶，拉伸性能在β为60°时达到最大值，强度和延伸率分别达到320MPa和5%。最后，通过归纳总结复合焊接热源耦合效应、合金化程度和焊缝性能的内在关联，获得了铝合金激光-MIG复合焊接焊缝拉伸强度的增强机理，并掌握其工艺调控方法。研究成果有利于大型航空航天结构件的强度分析和轻量化设计。