摘要
铝合金以密度小、比强度高、耐腐蚀等特点被广泛应用于航空航天、轨道交通等领域，其焊接质量对保证结构强度有重要意义。与传统弧焊工艺相比，激光焊具有能量密度高、热输入小等优点，得到的焊缝晶粒细小、接头强度高。但由于铝合金对激光的反射率极高，需要较大的功率才可实现铝合金中厚板的熔透，而高的激光功率易引发飞溅、气孔等缺陷。活性激光焊接在不增大激光功率的前提下，可以增大焊缝熔深、改善接头质量，但其在铝合金激光焊中应用较少。本文将以铝合金活性激光焊为主要研究对象，系统探索焊接工艺参数对于成形的影响规律，进而优化接头组织以及力学性能。结合数值模拟以及实验结果，分析活性剂对铝合金激光焊的作用机理。 首先，在低激光功率下开展了铝合金活性激光自熔焊试验，发现氧化物对焊缝熔深的增加效果最显著，光斑直径对于熔深的影响最大。以Cr2O3作为活性剂进行铝合金平板对接焊实验，结果表明，活性激光焊可以在1.5kW的功率下实现2mm铝合金的完全熔透，焊接过程无飞溅，焊缝成形良好。丝材的加入有利于细化组织，弥补Mg元素烧损，增大焊缝中β相含量。熔合区生成的Al8Cr5相是接头强度提高的主要原因。接头强度最大为275MPa，达到母材的91%。 其次，采用基于均匀设计法的配方试验得到多组元活性剂，在该配方下熔深最大增加2.39倍，深宽比达到0.4083。在合适的工艺参数下得到的接头成形良好，强度与母材等强，接头不发生软化。填丝使得接头位错密度降低，焊缝腐蚀性能高于母材和不填丝时的焊缝。接头无新相生成，送丝量的增加使得Mg含量进一步提高。 最后，通过建立三维瞬态移动热源作用下的激光焊接熔池数学模型，研究铝合金激光焊过程中活性剂的作用机理。在无活性剂时，模拟得到的焊缝形貌与试验结果基本吻合。在低功率铝合金活性激光焊接中，活性剂的加入虽然可以改变表面张力梯度，进而改变Marangoni流流动形式，但由于铝合金本身表面张力小，粘度低，Marangoni流相对较弱，对熔深增加效果不明显。活性剂的加入使铝合金对激光吸收率的提高才是熔深增加的主要原因。
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