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原文传递全铝结构船长甲板的CO<,2>激光焊接技术研究

论文题名：	全铝结构船长甲板的CO<,2>激光焊接技术研究
关键词：	全铝结构;船长甲板;CO2激光焊接;长焊缝焊接工艺;船舶制造;光谱分析;光致等离子体行为
摘要：	本文以全铝结构高速船长甲板为主要应用背景,以中厚度船用铝合金长焊缝焊接为主要研究对象,针对目前全铝结构船舶长甲板焊接技术存在的诸多问题,在分析船舶工业中CO2激光加工系统应用特点及对CO2激光长焊缝焊接光学系统参数进行计算的基础上,利用SlabCO2激光器的飞行光学加工系统对4.0mm和6.0mm的5083铝合金及6.0mm的6061铝合金进行了激光焊接基础工艺和长焊缝焊接工艺的研究,并对两种船用铝合金的CO2激光焊接接头性能进行了综合评定,探讨了CO2激光焊接技术在全铝结构船舶制造工业中应用的可行性问题。采用高速摄像装置和光谱分析技术对铝合金CO2激光焊接光致等离子体行为进行了研究。 5083铝合金由于易挥发性元素Mg含量大,实现深熔焊的阈值功率要低于6061铝合金；内径为5.0mm的辅助气体喷嘴既具有良好的层流干伸长度,又能提供足够的辅助气体以稀释等离子体,且对于5083铝合金采用201/min氦气和21/min氩气的混合气体能够获得良好的焊缝表面,对于6061铝合金应采用301/min氦气和21/min氩气的混合气体作为辅助气体。激光功率、焊接速度、送丝速度的合理匹配对焊缝成形至关重要。对于三种规格材料,采用激光扫描焊接和激光填丝焊接的方法,实现了船用铝合金中厚板长焊缝的CO2激光焊接,获得了成形美观且无明显外观缺陷的焊缝,得到了八套焊接工艺方案。根据全铝结构船舶长甲板焊接光学系统的设计要求,利用高斯光束传输和聚焦的基本理论,分析计算了激光器光束质量、聚焦镜焦距以及材料焊接所要求的聚焦光斑最大值的设定对飞行光束光学参数的影响。对比了扩散冷却板条DC035CO2激光器和快速轴流RS200CO2激光器用于飞行光学加工系统的差别。理论上两种CO2激光器都可以用于实现大范围激光加工的飞行光学系统,但从实际系统的实现而言,光束质量较好的DC035CO2激光器比光束质量较差的RS200CO2激光器更加适用于船用铝合金长焊缝焊接的飞行光学系统。船用铝合金厚度越小,实现长焊缝全熔透焊接所允许的聚焦光束束腰半径变化量ωivar和聚焦光束束腰位置变化量Sivar范围越大。在实验条件下,对于4mm厚的5083铝合金实现全熔透焊且焊缝表面成形较好,要求ωivar小于30μm,Sivar小于4.0mm;对于6mm厚的5083铝合金实现全熔透焊且焊缝表面成形较好,要求ωivar小于20μm,Sivar小于3.0mm;对于6mm厚的6061铝合金实现全熔透焊且焊缝表面成形较好,要求ωivar小于15μm,Sivar小于2.0mm。对于I型坡口,激光扫描焊和填丝焊所允许的最大间隙分别为0.5mm和0.7mm。由于铝合金长甲板激光焊接对试样的坡口准备和装夹精度要求甚高,在实际生产过程中目前的坡口加工方式和工装夹具,无法满足激光焊接的要求,因此成为全铝结构船长甲板激光焊接技术实际应用的最大障碍。 5083铝合金激光填丝焊接头和双面焊接头拉伸强度可达到母材强度的95％,而屈服强度基本与母材的屈服强度持平,拉伸断口位于熔合线附近；6061铝合金激光填丝焊接头和双面焊接头拉伸强度可达到母材强度的82％,而屈服强度低于母材,拉伸断口沿焊缝45°对角线开裂。5083铝合金激光焊接接头经150°三点弯曲试验而不开裂,6061铝合金激光焊接接头弯曲90°沿熔合线发生开裂。5083铝合金激光焊缝冲击韧性值高于母材,而6061铝合金激光焊缝冲击韧性值低于母材。当激光功率超过材料深熔焊接阈值功率后,激光功率对光致等离子体温度的影响不大；激光聚焦光斑位于工件表面附近时,光致等离子体温度较大离焦情况下低；焊接速度对光致等离子体温度的影响表现为倒"U"形曲线规律,即在焊接速度较高和较低情况下,光致等离子体温度均为下降趋势；He气对光致等离子体有良好的冷却效果,对于一定内径的辅助气体喷嘴,等离子体温度随辅助气体流量呈现先增加后减小的趋势；在He气中加入Ar气会导致光致等离子体温度升高,且升高幅度随加入Ar气含量的增加而增加。光致等离子体温度位于6000±200K温度范围内时,焊缝表面成形质量普遍较好；工件表面的等离子体对焊缝的熔深没有贡献,对焊缝熔宽的影响也不明显。对全铝结构船长甲板的激光焊接技术研究,具有重大的实际工程应用价值,同时也具有一定的理论研究价值。在工程应用方面,研究成果能够为论证CO2激光焊接技术在全铝结构船舶制造工业中应用的可行性问题提供必要的技术基础,对相关部门制定全铝结构船舶长甲板的工业激光解决方案,具有重大现实意义。在理论研究方面,研究涉及的铝合金大功率激光焊接技术、大功率激光深熔焊接小孔和等离子体行为的分析研究,对车辆、航空航天等行业铝合金的激光焊接技术具有重要指导意义。
作者：	祁俊峰
专业：	光学工程
导师：	左铁钏
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京工业大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文