專利名稱：一種提高鋁合金焊縫疲勞強(qiáng)度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁合金焊接領(lǐng)域，尤其涉及一種提高鋁合金焊縫疲勞強(qiáng)度的方法。
背景技術(shù)：
目前，鋁合金的主要焊接工藝方法為MIG焊接，其常見(jiàn)缺陷是接頭裂紋、軟化以及硬度下降等缺陷，焊縫的疲勞強(qiáng)度大大降低，傳統(tǒng)的提高鋁合金焊縫硬度及抗疲勞強(qiáng)度的方法有噴丸、碾壓、錘擊等。隨著激光技術(shù)的興起，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在強(qiáng)化材料方面和焊縫得強(qiáng)化方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。焊趾是焊肉和母材的交接處，是焊接接頭最薄弱的環(huán)節(jié)常常由于焊接后高的殘余拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。美國(guó)LLNL (勞倫斯利物莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室)與MIC合作，就激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行廣泛的應(yīng)用研究，儲(chǔ)能罐、核廢料罐焊縫經(jīng)強(qiáng)化后，抗疲勞裂紋和應(yīng)力腐蝕的性能大大提高，核廢料罐的使用壽命可以達(dá)到上萬(wàn)年的使用設(shè)計(jì)要求。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代開始了激光沖擊處理技術(shù)(LSP)的研究，主要針對(duì)航空鋁合金材料進(jìn)行一些基礎(chǔ)試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)GH30氬弧焊焊縫激光沖擊處理后，焊縫表面顯微硬度提高40%，抗拉強(qiáng)度提高12%以上，表面殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力。lCrl8Ni9Ti等離子焊焊縫及熱影響區(qū)激光沖擊處理后，提高疲勞壽命300%以上。1420鋁鋰合金板材缺口疲勞試件(應(yīng)力集中系數(shù)Kt=2.5)對(duì)中心圓孔強(qiáng)化后，采用不同的應(yīng)力水平進(jìn)行成組對(duì)比試驗(yàn)，激光沖擊處理能提高疲勞強(qiáng)度的20%。目前的激光沖擊強(qiáng)化處理工藝是利用脈沖激光產(chǎn)生的高密度能量，一點(diǎn)一點(diǎn)地沖擊待加工整個(gè)焊縫表面，存在工藝復(fù)雜且效率低的不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高鋁合金焊縫疲勞強(qiáng)度的方法，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用高密度能量激光只對(duì)焊縫焊趾兩側(cè)進(jìn)行小范圍沖擊強(qiáng)化，使焊趾區(qū)域產(chǎn)生高的殘余壓應(yīng)力，防止裂紋的危害，提高焊接接頭的抗疲勞性能。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:一種提高鋁合金焊縫疲勞強(qiáng)度的方法，采用激光沖擊鋁合金焊縫焊趾兩側(cè)區(qū)域，進(jìn)而提高焊縫的抗疲勞強(qiáng)度，其具體操作步驟如下:I)處理前，用丙酮清洗焊縫，在鋁合金試件焊趾兩側(cè)3 4mm寬的區(qū)域內(nèi)涂覆碳素黑漆涂層，涂層厚度50 100 μ m，涂層干燥后，將試件固定在夾具上放入有水的操作槽中，試件沉入水中；2)所述夾具相對(duì)操作槽的位置在X，Y，Z三個(gè)方向上可調(diào)，聚焦鏡焦距為180 200mm,調(diào)節(jié)聚焦鏡使得光路在水中的行程為50 80mm，既保證約束層為50 80mm ；3)激光沖擊處理鋁合金試件焊趾兩側(cè)3 4mm寬的區(qū)域，激光參數(shù)如下，激光波長(zhǎng)為532 535nm、頻率60Hz、單脈沖激光能量為100 120mJ、激光脈沖峰值功率密度約為
4.5 5GW/cm2、激光脈沖寬度為8ns 10ns、聚焦光斑直徑為0.6mm 1.0mm、表面光斑重疊面積> 30%。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:利用激光的高密度能量對(duì)焊縫兩側(cè)小范圍內(nèi)焊趾部位進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，大大消弱了焊趾處因焊接而產(chǎn)生的較高的應(yīng)力集中，改善焊接接頭殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)，使焊接接頭表層形成殘余壓應(yīng)力層，最終達(dá)到強(qiáng)化焊接接頭的抗疲勞性能的目的，與沖擊強(qiáng)化整個(gè)焊縫的方法比較，沖擊面積小及效果顯著，


圖1是本發(fā)明處理鋁合金試件的工藝流程圖；圖2是本發(fā)明激光沖擊強(qiáng)化裝置結(jié)構(gòu)示意框圖；圖3是本發(fā)明沖擊處理區(qū)域示意圖；圖4是試件的焊態(tài)焊縫和LSP處理后的焊縫宏觀對(duì)比照片；圖5是疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)后的焊態(tài)焊縫和LSP處理后的焊縫宏觀對(duì)比照片。圖中:1-鋁合金試件2-區(qū)域3-夾具4-操作槽5-透視窗
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說(shuō)明:見(jiàn)圖1至圖3，是本發(fā)明一種提高鋁合金焊縫疲勞強(qiáng)度的方法示意圖，采用激光沖擊鋁合金焊縫焊趾兩側(cè)區(qū)域，進(jìn)而提高焊縫的抗疲勞強(qiáng)度，實(shí)施例中鋁合金試件采用MIG焊接，其具體操作步驟如下:I)處理前，用丙酮清洗焊縫，在鋁合金試件I焊趾兩側(cè)3 4mm寬的區(qū)域內(nèi)涂覆碳素黑漆涂層，涂層厚度50 100 μ m,涂層干燥后，將試件固定在夾具上放入有水的操作槽4中，試件沉入水中；2)夾具3相對(duì)操作槽4的位置在X，Y，Z三個(gè)方向上可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)試件相對(duì)激光束的精確定位，并可實(shí)現(xiàn)激光對(duì)試件指定區(qū)域的照射，選擇聚焦鏡的焦距為180 200mm，調(diào)節(jié)激光回路聚焦鏡使得光路經(jīng)透視窗5在水中的行程為50 80mm，既保證約束層為50 80mm ；3)激光沖擊處理鋁合金試件焊趾兩側(cè)3 4mm寬的區(qū)域2，激光參數(shù)如下，激光波長(zhǎng)為532 535nm、頻率60Hz、單脈沖激光能量為100 120mJ、激光脈沖峰值功率密度約為
4.5 5GW/cm2、激光脈沖寬度為8ns 10ns、聚焦光斑直徑為0.6mm 1.0mm、表面光斑重疊面積> 30%。實(shí)施例:針對(duì)鋁合金A6061-T6試件的焊縫進(jìn)行提高疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。MIG焊接試驗(yàn)條件及工藝參數(shù)如下所示:(I)板材:A6061-T6 尺寸 260X80X6mm (矩形)；(2)焊絲:A4043-WY Φ 1.2mm ;(3)焊接電流200A ;焊接電壓21V ;焊接速度0.5m/min ;Ar氣流量25L/min ;V型坡□。沖擊處理前，用丙酮清洗焊縫，將焊趾左右兩側(cè)分別為3.5mm左右范圍內(nèi)涂覆吸收層-黑漆；將試件固定在夾具上放入約束層(水層)中。
激光表面沖擊處理?xiàng)l件:激光類型Nd = YAG激光、波長(zhǎng)532nm、頻率60Hz、激光脈沖寬度8ns、單脈沖能量100mJ、聚焦光斑直徑0.6mm、激光脈沖峰值功率密度約為4.5Gff/cm2,表面光斑重疊面積35%，計(jì)算出脈沖能量密度為27.3pulSe/mm2。實(shí)施例焊態(tài)焊縫和經(jīng)過(guò)LSP處理后的焊縫宏觀示意圖見(jiàn)圖4，可以看出，LSP處理后的地方表面產(chǎn)生均勻的小韌窩。焊后進(jìn)行性能檢測(cè)，試驗(yàn)表明LSP處理過(guò)的焊件，其疲勞試驗(yàn)值為79MPa比焊態(tài)的疲勞試驗(yàn)值59MPa大很多。疲勞試驗(yàn)后，焊態(tài)和LSP處理后的試件的微觀圖片見(jiàn)圖5，可見(jiàn)焊態(tài)試件在焊縫焊趾處出現(xiàn)了疲勞裂紋，然而經(jīng)過(guò)LSP處理過(guò)的焊件在母材處產(chǎn)生了裂紋而焊縫焊趾處并沒(méi)有疲勞裂紋。
權(quán)利要求
1.一種提高鋁合金焊縫疲勞強(qiáng)度的方法，其特征在于，采用激光沖擊鋁合金焊縫焊趾兩側(cè)區(qū)域，進(jìn)而提高焊縫的抗疲勞強(qiáng)度，其具體操作步驟如下: 1)處理前，用丙酮清洗焊縫，在鋁合金試件焊趾兩側(cè)3 4_寬的區(qū)域內(nèi)涂覆碳素黑漆涂層，涂層厚度50 100 μ m，涂層干燥后，將試件固定在夾具上放入有水的操作槽中，試件沉入水中； 2)所述夾具相對(duì)操作槽的位置在X，Y，Z三個(gè)方向上可調(diào)，聚焦鏡焦距為180 200mm，調(diào)節(jié)聚焦鏡使得光路在水中的行程為50 80mm，既保證約束層為50 80mm ； 3)激光沖擊處理鋁合金試件焊趾兩側(cè)3 4mm寬的區(qū)域，激光參數(shù)如下，激光波長(zhǎng)為532 535nm、頻率60Hz、單脈沖激光能量為100 120mJ、激光脈沖峰值功率密度約為4.5 5GW/cm2、激光脈沖寬度為8ns 10ns、聚焦光斑直徑為0.6mm 1.0mm、表面光斑重疊面積> 30%。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋁合金焊接領(lǐng)域，尤其涉及一種提高鋁合金焊縫疲勞強(qiáng)度的方法，其特征在于，采用激光沖擊鋁合金焊縫焊趾兩側(cè)區(qū)域，進(jìn)而提高焊縫的抗疲勞強(qiáng)度，其具體操作步驟如下1)處理前，用丙酮清洗焊縫，在鋁合金試件焊趾兩側(cè)3～4mm寬的區(qū)域內(nèi)涂覆碳素黑漆涂層，試件沉入水中；2)調(diào)節(jié)聚焦鏡保證水中的約束層為50～80mm；激光沖擊試件焊趾兩側(cè)3～4mm寬的區(qū)域，參數(shù)如下，激光波長(zhǎng)為532～535nm、頻率60Hz、單脈沖激光能量為100～120mJ、激光脈沖峰值功率密度約為4.5～5GW/cm2。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是相對(duì)于對(duì)整個(gè)焊縫的沖擊強(qiáng)化工藝，沖擊面積小，大大提高了沖擊強(qiáng)化效率。
文檔編號(hào)B23K26/42GK103111759SQ20131004328
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月2日
發(fā)明者徐國(guó)建, 杭爭(zhēng)翔, 王虹, 劉祥宇, 唱麗麗 申請(qǐng)人:鞍山煜宸科技有限公司