原位聲波疊加!對7000系鋁合金雷射焊接組織性能的影響

2021-01-03 孜然學術

隨著輕量化和節能減排的要求，鋁作為一種有吸引力的輕質結構材料，在許多與交通相關的領域得到了廣泛應用。變形鋁合金根據其化學成分可分為不可熱處理材料和可熱處理材料。不可熱處理合金的最終機械性能取決於成形過程中引入的固溶強化。相反，熱處理和時效處理是提高沉澱強化合金強度的主要途徑。這些合金的熱處理工藝包括高溫固溶以溶解合金元素，然後快速冷卻至室溫以提供過飽和固溶體。

AA-7075等沉澱強化鋁合金的特點是固溶態強度相對較低，延展性較好。因此，回火為直接進行時效處理的高效成形工藝提供了充分的條件。例如雷射束焊接，可用於成型半成品的進一步加工。然而，在雷射束焊接中，集中的熱輸入會導致熱影響區(HAZ)的組織發生有害的變化，這種變化通常只能通過後續的熱處理才能逆轉。

而盛行的融化熔池動力學對最終焊縫幾何形狀起關鍵作用。在這種情況下，熔池動力學不僅是推動雷射束在焊接過程中的運動，也是由於所謂的MARANGONI效應引起的。此效果是由於焊接區內的溫差導致表面大張力和剪切力。化學成分是決定溫度升高時表面張力減小或增加的決定因素。這最終導致更寬或更深的熔池。利用振動在焊接領域研究已經很常見了。例如超音波，焊接是基於機械振動的過程範圍從20到65kHz。兩個工件之間產生的摩擦力以及壓制所需的力允許焊接這些部分。但是，超聲波焊接的特點是相對連接區域的強度低。作為一種完全替代的方法，機械振動的優勢也可以被利用在熔焊過程中雷射束焊接。這樣，可以克服熔焊中的主要問題。這項研究的目的是改善難焊接合金的焊接結構完整性和機械性能。

雷射焊接是具有集中的熱量輸入和局部顯微組織演變。在這種情況下，用於改善焊接性能的一種方法是將機械感應聲波疊加到雷射束焊接過程中。產生的聲波壓電振動器可促進各種機械，冶金，流體和熱力學效應，最終導致明顯的枝晶剪切並在凝固過程中增強成核作用，從而使焊縫中的晶粒組織更細。此外，振動提高了凝固速度，因此強烈影響了樹枝晶的生長時間。目前已經對鋁合金AA-5083和AA-6082以及高強度鋼的焊縫產生了積極影響。本研究的主要目的是研究不同的熱處理策略和聲波疊加雷射束焊接工藝對AA-7075焊接接頭的組織變化和力學性能的影響。

近日，來自德國的卡塞爾大學的一項最新研究表明，通過不同的熱處理策略和聲波疊加雷射束焊接工藝優化提升AA-7075焊接接頭的組織和力學性能，從而獲得比傳統AA-7075焊接接頭更高的強度。相關論文以題為「On the influence of in situ sound wave superposition on the microstructure of laser welded 7000 aluminum alloys」於近日發表在Journal of Advanced Joining Processes雜誌上。

論文連結：

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

在這項工作中，研究人員充分利用可以掃頻的壓電振子來確定有利的激勵參數，根據各種邊界條件，例如：到連接區的距離、夾緊情況或元件幾何形狀和材料厚度，可以分別設置最優參數。為了詳細考察振動篩和夾緊裝置的位置影響，分別改變了振動器的位置和夾緊裝置的位置。然後，根據相機記錄的數據分析，在實際焊接試驗之前，將這些參數作為激勵參數的函數進行評估，以便確定最有希望的激勵參數。

圖1.不同的波類型的（a）幾何函數和（b）疊加原理的函數

圖2.剪切成像技術進行振動分析的裝置原理圖

圖3.拉伸試驗的樣品位置示意圖

圖4.（a）安裝在雷射焊接單元中的原位表徵的測量裝置以及（b，c）通過剪切成像在組件表面上傳播的聲波的可視化

圖5.在壓電振動器到接合區域的恆定距離時，作為不同激勵參數的函數，靠近表面的最終振動的可視化和分析

圖6.不同激勵頻率對焊縫幾何形狀的影響

圖7.維氏硬度（a）示意圖、（b）自然時效一天、（c）自然時效30天

圖8.AA-7075在恆定焊接參數下（a）不同激勵頻率對斷裂伸長率和（b）極限抗拉強度

圖9.聲波疊處理的焊縫結構和熱影響區

圖10.接縫中心位置的各種機械感應聲波的AA-7075合金焊接的SEM顯微組織

研究者主要以AA-7075合金為研究對象，研究了7000系列高強鋁合金雷射焊接工藝的疊加。特別是，在這裡提出的研究中，雷射焊接過程的疊加在多大程度上可以改善基本的可焊性的問題是最重要的。首先，在考慮各種邊界條件(如連接幾何形狀、振動器位置和夾緊裝置的位置)的情況下，可用於高強7000系列鋁合金的組元相關聲波激勵。其次，如果在考慮所有相關邊界條件的情況下選擇最佳參數，則可以在接合區獲得明確的機械誘導聲波引起的部件振動。再次，根據參數設置的不同，高強度AA-7075的焊縫幾何形狀可能會受到聲波疊加的影響。對斷裂伸長率和極限抗拉強度有正向影響。最後，由於激勵對熔池動力學的影響，熱影響區的形成也會受到聲波疊加的影響。隨著頻率的增加，熱影響區寬度減小，枝晶尺寸減小。這項技術如果得以推廣，將有利於大規模獲得性能優異的鋁合金高強結構零件或高性能受力產品等。（文：馮馮）

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