CN103111759A - 一种提高铝合金焊缝疲劳强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铝合金焊接领域，尤其涉及一种提高铝合金焊缝疲劳强度的方法，其特征在于，采用激光冲击铝合金焊缝焊趾两侧区域，进而提高焊缝的抗疲劳强度，其具体操作步骤如下：1）处理前，用丙酮清洗焊缝，在铝合金试件焊趾两侧3～4mm宽的区域内涂覆碳素黑漆涂层，试件沉入水中；2）调节聚焦镜保证水中的约束层为50～80mm；激光冲击试件焊趾两侧3～4mm宽的区域，参数如下，激光波长为532～535nm、频率60Hz、单脉冲激光能量为100～120mJ、激光脉冲峰值功率密度约为4.5～5GW/cm²。与现有技术相比，本发明的有益效果是：相对于对整个焊缝的冲击强化工艺，冲击面积小，大大提高了冲击强化效率。

Description

一种提高铝合金焊缝疲劳强度的方法

技术领域

本发明涉及铝合金焊接领域，尤其涉及一种提高铝合金焊缝疲劳强度的方法。 

背景技术

目前，铝合金的主要焊接工艺方法为MIG焊接，其常见缺陷是接头裂纹、软化以及硬度下降等缺陷，焊缝的疲劳强度大大降低，传统的提高铝合金焊缝硬度及抗疲劳强度的方法有喷丸、碾压、锤击等。随着激光技术的兴起，激光冲击强化技术在强化材料方面和焊缝得强化方面的应用越来越广泛。焊趾是焊肉和母材的交接处，是焊接接头最薄弱的环节常常由于焊接后高的残余拉应力而产生裂纹。 

美国LLNL（劳伦斯利物莫尔国家实验室）与MIC合作，就激光冲击强化进行广泛的应用研究，储能罐、核废料罐焊缝经强化后，抗疲劳裂纹和应力腐蚀的性能大大提高，核废料罐的使用寿命可以达到上万年的使用设计要求。 

国内从20世纪90年代开始了激光冲击处理技术（LSP）的研究，主要针对航空铝合金材料进行一些基础试验研究。研究发现GH30氩弧焊焊缝激光冲击处理后，焊缝表面显微硬度提高40%，抗拉强度提高12%以上，表面残余拉应力转化为残余压应力。1Cr18Ni9Ti等离子焊焊缝及热影响区激光冲击处理后，提高疲劳寿命300%以上。1420铝锂合金板材缺口疲劳试件(应力集中系数Kt=2.5)对中心圆孔强化后，采用不同的应力水平进行成组对比试验，激光冲击处理能提高疲劳强度的20%。 

目前的激光冲击强化处理工艺是利用脉冲激光产生的高密度能量，一点一点地冲击待加工整个焊缝表面，存在工艺复杂且效率低的不足。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高铝合金焊缝疲劳强度的方法，克服现有技术的不足，采用高密度能量激光只对焊缝焊趾两侧进行小范围冲击强化，使焊趾区域产生高的残余压应力，防止裂纹的危害，提高焊接接头的抗疲劳性能。 

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案： 

一种提高铝合金焊缝疲劳强度的方法，采用激光冲击铝合金焊缝焊趾两侧区域，进而提高焊缝的抗疲劳强度，其具体操作步骤如下： 

1）处理前，用丙酮清洗焊缝，在铝合金试件焊趾两侧3～4mm宽的区域内涂覆碳素黑漆涂层，涂层厚度50～100μm，涂层干燥后，将试件固定在夹具上放入有水的操作槽中，试件沉入水中； 

2）所述夹具相对操作槽的位置在X，Y，Z三个方向上可调，聚焦镜焦距为180～200mm,调节聚焦镜使得光路在水中的行程为50～80mm,既保证约束层为50～80mm； 

3）激光冲击处理铝合金试件焊趾两侧3～4mm宽的区域，激光参数如下，激光波长为532～535nm、频率60Hz、单脉冲激光能量为100～120mJ、激光脉冲峰值功率密度约为4.5～5GW/cm²、激光脉冲宽度为8ns～10ns、聚焦光斑直径为0.6mm～1.0mm、表面光斑重叠面积＞30%。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

利用激光的高密度能量对焊缝两侧小范围内焊趾部位进行冲击强化，大大消弱了焊趾处因焊接而产生的较高的应力集中，改善焊接接头残余应力的分布状态，使焊接接头表层形成残余压应力层，最终达到强化焊接接头的抗疲劳性能的目的，与冲击强化整个焊缝的方法比较，冲击面积小及效果显著， 

附图说明

图1是本发明处理铝合金试件的工艺流程图； 

图2是本发明激光冲击强化装置结构示意框图； 

图3是本发明冲击处理区域示意图； 

图4是试件的焊态焊缝和LSP处理后的焊缝宏观对比照片； 

图5是疲劳强度试验后的焊态焊缝和LSP处理后的焊缝宏观对比照片。 

图中：1-铝合金试件2-区域3-夹具4-操作槽5-透视窗 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明： 

见图1至图3，是本发明一种提高铝合金焊缝疲劳强度的方法示意图，采用激光冲击铝合金焊缝焊趾两侧区域，进而提高焊缝的抗疲劳强度，实施例中铝合金试件采用MIG焊接，其具体操作步骤如下： 

1）处理前，用丙酮清洗焊缝，在铝合金试件1焊趾两侧3～4mm宽的区域内涂覆碳素黑漆涂层，涂层厚度50～100μm，涂层干燥后，将试件固定在夹具上放入有水的操作槽4中，试件沉入水中； 

2）夹具3相对操作槽4的位置在X，Y，Z三个方向上可调，以实现试件相对激光束 的精确定位，并可实现激光对试件指定区域的照射，选择聚焦镜的焦距为180～200mm,调节激光回路聚焦镜使得光路经透视窗5在水中的行程为50～80mm,既保证约束层为50～80mm； 

3）激光冲击处理铝合金试件焊趾两侧3～4mm宽的区域2，激光参数如下，激光波长为532～535nm、频率60Hz、单脉冲激光能量为100～120mJ、激光脉冲峰值功率密度约为4.5～5GW/cm²、激光脉冲宽度为8ns～10ns、聚焦光斑直径为0.6mm～1.0mm、表面光斑重叠面积＞30%。 

实施例：针对铝合金A6061-T6试件的焊缝进行提高疲劳强度试验。 

MIG焊接试验条件及工艺参数如下所示： 

（1）板材：A6061-T6  尺寸260×80×6mm（矩形）； 

（2）焊丝：A4043-WY  φ1.2mm； 

（3）焊接电流200A；焊接电压21V；焊接速度0.5m/min；Ar气流量25L/min；V型坡口。 

冲击处理前，用丙酮清洗焊缝，将焊趾左右两侧分别为3.5mm左右范围内涂覆吸收层-黑漆；将试件固定在夹具上放入约束层（水层）中。 

激光表面冲击处理条件：激光类型Nd:YAG激光、波长532nm、频率60Hz、激光脉冲宽度8ns、单脉冲能量100mJ、聚焦光斑直径0.6mm、激光脉冲峰值功率密度约为4.5GW/cm²，表面光斑重叠面积35%，计算出脉冲能量密度为27.3pulse/mm²。 

实施例焊态焊缝和经过LSP处理后的焊缝宏观示意图见图4，可以看出，LSP处理后的地方表面产生均匀的小韧窝。焊后进行性能检测，试验表明LSP处理过的焊件，其疲劳试验值为79MPa比焊态的疲劳试验值59MPa大很多。 

疲劳试验后，焊态和LSP处理后的试件的微观图片见图5，可见焊态试件在焊缝焊趾处出现了疲劳裂纹，然而经过LSP处理过的焊件在母材处产生了裂纹而焊缝焊趾处并没有疲劳裂纹。 

Claims (1)

1.一种提高铝合金焊缝疲劳强度的方法，其特征在于，采用激光冲击铝合金焊缝焊趾两侧区域，进而提高焊缝的抗疲劳强度，其具体操作步骤如下：

1）处理前，用丙酮清洗焊缝，在铝合金试件焊趾两侧3～4mm宽的区域内涂覆碳素黑漆涂层，涂层厚度50～100μm，涂层干燥后，将试件固定在夹具上放入有水的操作槽中，试件沉入水中；

2）所述夹具相对操作槽的位置在X，Y，Z三个方向上可调，聚焦镜焦距为180～200mm,调节聚焦镜使得光路在水中的行程为50～80mm,既保证约束层为50～80mm；

3）激光冲击处理铝合金试件焊趾两侧3～4mm宽的区域，激光参数如下，激光波长为532～535nm、频率60Hz、单脉冲激光能量为100～120mJ、激光脉冲峰值功率密度约为4.5～5GW/cm²、激光脉冲宽度为8ns～10ns、聚焦光斑直径为0.6mm～1.0mm、表面光斑重叠面积＞30%。

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