1 南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏 南京 211106
2 南京先进激光技术研究院，江苏 南京 211106
基于航空航天器轻量化、高性能及高可靠性的制造要求，为增加焊缝强化相数量、获得高质量平板对接结构，采用填充4047焊丝和2319纳米焊丝的激光焊接方法对2 mm厚的2195铝锂合金对接结构进行焊接。针对填充不同焊丝得到的焊接接头微观组织、元素含量及力学性能进行对比分析。结果表明，激光填丝焊接相较于激光自熔焊，焊缝组织得到细化，填充2319纳米焊丝的激光焊接焊缝组织均为细小的等轴晶，纳米颗粒的添加促进了柱状晶向等轴晶的转变。同时，纳米焊丝熔化后进入激光焊接熔池，有效补充了焊缝的元素烧损，含Cu强化相增加。因此，填充4047焊丝的激光焊接接头的抗拉强度为259.9 MPa，相较于无填充焊丝的激光自熔焊提高了17.07%；填充纳米焊丝的激光焊接接头的抗拉强度达到253.51 MPa，相比于激光自熔焊提高了14.19%。填充4047焊丝能有效提高2195铝锂合金激光焊接焊缝的抗拉强度。
激光技术 激光焊接 铝锂合金 等轴晶 纳米焊丝 微观组织 中国激光
2023, 50(12): 1202101
1 火箭军工程大学 导弹工程学院，陕西 西安 710025
2 广州理工学院 智能制造与电气工程学院，广东 广州 510850
铝锂合金以其质轻、高强、耐腐蚀等优势成为新一代航空航天应用材料，与其他铝锂合金相比，2195-T8铝锂合金焊接性能最优。基于液体火箭贮箱连接处的焊接需求，采用激光填丝双面焊接可以获得质量较好的接头。针对焊接过程中熔池内流体流动与温度的变化，建立了热-流耦合数学模型，通过数值模拟的方法对2195-T8铝锂合金焊接过程进行了研究，而后开展了接头轴向拉伸强度测试实验，阐明了焊接速度与填丝速度对熔池成形、流动与热输入的影响，并得到了不同焊接工艺参数下的最高接头强度。研究结果表明：4组不同焊接工艺参数下，第一面焊接与第二面焊接的熔池内流体流动趋势基本一致，主要为熔池左侧的顺时针涡流与右侧的逆时针涡流；提高焊接速度或填丝速度可以改善熔池成形质量，降低熔池热输入，细化焊缝熔合区中以柱状晶为代表的晶粒，进而有效提升接头力学性能；通过对4组不同焊接工艺参数的数值模拟与实验结果进行对比分析，最终得到熔池成形质量最好、热输入最小的焊缝，其接头轴向拉伸强度高达426.4 MPa，为母材强度的72.6%，对应的焊接速度与填丝速度分别为50 cm/min、1.8 m/min。
2195铝锂合金 激光填丝双面焊接 熔池 接头强度 2195 Al-Li alloy laser wire filling double-sided welding molten pool joint strength 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220350
1 中国航空制造技术研究院先进表面工程技术航空科技重点实验室，北京 100024
2 中国航空制造技术研究院材料应用研究部，北京 100024
激光冲击强化是一种先进的材料表面抗疲劳制造技术，本文采用正交试验方法研究了激光冲击2050铝锂合金表面残余应力分布规律，获得了优化的激光冲击参数，并在此参数下验证了疲劳寿命增益。研究结果表明：激光冲击强化诱导的残余应力与试样的几何特性相关性较强，而激光冲击参数本身搭接率对残余应力的影响大于激光能量、大于冲击次数，最佳工艺参数为激光功率密度5.30 GW·cm-2、搭接率50%、2次冲击。采用此参数冲击后260 MPa和200 MPa应力水平下疲劳寿命分别提高了22%和63%。
激光技术 激光冲击强化 2050铝锂合金 残余应力 疲劳特性 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0114002
1 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
2 上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245
2195-T87铝锂合金是轻质高强的新一代航空材料，但相比于传统铝合金，铝锂合金的焊接难度更高。基于铝锂合金蒙皮-桁条结构的焊接需求，采用激光束圆形摆动的方式配合Al-Si焊丝对2195-T87铝锂合金T型接头进行双侧激光摆动焊接，对比摆动激光焊接与无摆动激光焊接所得接头的焊缝成形与组织特征，并探讨了热输入、摆动频率以及摆动幅度对焊缝成形质量的影响，最终获得了优化工艺参数下的接头横向与轴向拉伸强度，分析了通过光束摆动改善焊缝成形质量、提高接头强度的效果。结果表明，采用高焊速、低热输入与中等摆动幅度和摆动频率的双侧激光摆动焊接可改善焊缝表面成形质量，抑制气孔生成，细化焊缝晶粒，缩小等轴细晶区尺寸，进而提高接头的横向与轴向拉伸性能，所得接头的最大轴向拉伸强度为267 MPa，横向拉伸强度为420 MPa，对比无摆动焊接分别提高了123 MPa和95 MPa，达到了母材强度的45%和70%。
激光技术 铝锂合金T型接头 双侧激光摆动焊接 显微组织 力学性能
北京工业大学材料与制造学部智能光子制造研究中心, 北京 100124
采用光纤激光焦点旋转的焊接方法进行2 mm厚2060铝锂合金薄板填丝(ER4047)焊接试验。利用高速摄像仪观察焊丝熔滴过渡行为及熔池流动行为,采用光学显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、扫描电镜、显微硬度仪及拉伸试验机对焊缝成形质量、气孔形貌、显微组织、化学成分、断口形貌、硬度及接头强度进行分析。结果表明:旋转的激光焦点周期性地作用在熔池及焊丝末端,致使熔池长度增加,熔池流动更平稳且波动幅度减小;焦点旋转可以有效改善焊缝成形,抑制飞溅和气孔的产生;焊缝等轴细晶区的宽度及该区的晶粒尺寸减小,靠近细晶区的柱状晶尺寸也有所减小。与非激光焦点旋转焊接接头相比,激光焦点旋转焊接接头熔合线附近的显微硬度和强度略有升高,接头断裂在熔合线附近,断口呈混合断裂特征。
激光技术 铝锂合金 填丝焊接 光纤激光 焦点旋转 组织 力学性能 中国激光
2021, 48(22): 2202012
采用激光冲击(LP)的方法对铝锂合金搅拌摩擦焊(FSW)焊接区域进行改性强化,对于促进搅拌摩擦焊接工艺在航空航天等领域的应用具有重要意义。以航空铝锂合金为加工对象,对搅拌摩擦焊与激光冲击强化复合工艺下焊板的残余应力场进行了有限元仿真模拟。通过与文献中的试验结果进行对比,验证了所建仿真模型的准确性。模拟了搅拌摩擦焊、激光冲击及两者复合的工艺过程,对比了经不同工艺处理的焊板上的残余应力分布,并研究了应力波的传递规律。仿真结果表明:激光冲击能有效减小搅拌摩擦焊在铝锂合金表面及亚表面引入的残余拉应力;搅拌摩擦焊引入的残余应力越大,激光冲击对残余应力的减小效果越明显;复合工艺处理引起的应力波衰减率略大于仅激光冲击处理引起的应力波衰减率,从而使得复合工艺中的激光冲击引起的残余应力减小量大于仅激光冲击引起的残余应力减小量。
激光技术 铝锂合金 搅拌摩擦焊 激光冲击 残余应力 有限元仿真 中国激光
2021, 48(18): 1802008
南京航空航天大学材料科学与技术学院, 江苏 南京 211106
用ER4047焊丝对厚度为2.0 mm的2060/2099铝锂合金进行双激光束双侧同步焊接实验,定量分析了晶粒尺寸对铝锂合金T型焊接接头力学性能的影响。实验结果表明,等轴细晶区内晶粒近似为圆形,当焊接热输入为46.16 J/mm时,晶粒的尺寸最小。随着随焊接热输入的增大,等轴细晶区的宽度逐渐增大,柱状晶尺寸逐渐减小,铝锂合金T型接头的焊缝熔合线区域发生局部软化现象,导致该区域内的显微硬度最低。T型环向拉伸实验结果表明,下熔合线区域为接头薄弱区,该区域内晶粒尺寸对焊接接头力学性能的影响也最大。焊趾处为应力集中区域,也是拉伸断裂的起始点。拉伸断裂过程中,裂纹由焊趾处逐渐扩展至下熔合线,最终在下熔合线的蒙皮处断裂。研究结果表明,熔合区内的晶粒尺寸越小,焊接接头的力学性能越好。
激光技术 双激光束双侧同步焊接 晶粒尺寸 力学性能 铝锂合金 中国激光
2021, 48(10): 1002120
1 上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所, 上海 200120
2 上海航空材料结构检测股份有限公司, 上海 201210
采用激光焊接工艺制造了铝锂合金机身壁板焊接结构件, 对试验件开展了裂纹扩展试验, 并对激光焊接接头组织和疲劳断口形貌进行了分析, 同时研究了凸台特征和不同焊接速度对焊接结构件裂纹扩展特性的影响。研究结果表明: 凸台结构对焊接结构件的裂纹扩展寿命影响明显, 随着凸台宽度尺寸的增加, 裂纹扩展寿命增大, 焊接结构件的抗裂纹扩展能力提高; 焊接结构件的裂纹扩展寿命随焊接速度的增大先增后减, 在一定焊接条件下, 焊接速度为0.10 m/s时, 焊接结构件的抗裂纹扩展能力最高。
激光焊接 铝锂合金 裂纹扩展 机身壁板 焊接速度 laser beam welding Al-Li alloys crack propagation fuselage panel welding speed
南京航空航天大学材料科学与技术学院， 江苏 南京 211106
基于航空航天领域减重的需求，铝锂合金激光焊接越来越受到国内学者的广泛关注。对2 mm厚2060-T8铝锂合金进行激光平板对接焊和焊缝微观组织形貌分析，并通过熔池流动机制解释铝锂合金熔焊焊缝边缘等轴细晶区(EQZ)的形成机理。分析认为，激光热作用及熔池对流的影响导致焊缝边缘不同区域异质形核质点的数量与分布有所不同，使上部EQZ宽度较窄，“腰部”EQZ宽度相对较大。此外，根据熔池流动机制，在焊缝边缘上部及“腰部”的部分形核质点会沿上熔合线切线方向被带入熔池，并在此基础上形核长大形成一条延伸至焊缝内部的等轴晶带。
激光技术 激光材料加工 微观组织 熔池流动机制 2060铝锂合金 激光焊接 中国激光
2018, 45(11): 1102013
