Page 97 - 结构装备施工技术分析与研究

» 第三章 焊接热处理技术

超声辅助加工技术已经在铸造、钎焊、电弧焊中有应用。国外学者已经对低碳钢
进行了超声辅助激光重熔、超声辅助激光点焊、超声辅助激光焊接数值模拟等研究。
本课题组研究了 AZ31B 镁合金超声辅助激光焊接特性及熔池流动行为，对超声辅助
激光焊接的作用机理进行了详细的阐述。除此之外，国内的相关研究较少，对于铝合
金超声辅助激光焊接技术的研究更是鲜有报道。

1. 材料与方法
试验中待焊接材料为 5A06 铝合金，尺寸为 300mm×50mm×3mm，直径为
1mm 的 ER5356 铝镁焊丝作为焊缝填充材料，采用平板对接的方式进行焊接。采用

PW4400 型 X 射线荧光光谱仪对母材和焊丝的成分进行测量。试验前对母材表面的油
污进行清洗，清洗工艺如下：质量分数 5% 的 NaOH 溶液清洗 3min，质量分数 30%
的 HNO 3 溶液清洗 3min，清水冲洗，放入烘干箱干燥处理。
超声辅助激光填丝焊接系统所使用的主要设备为 IPG 公司生产的 YLS-5000 型光

纤激光器，最大功率为 5kW，激光波长为 1060nm，光束质量稳定。因为铝合金对于
激光的反射率较高，为防止反射光对激光器中的光学元件（如聚焦透镜和准直透镜
等）造成损伤，将激光束进行 5° ~10°的偏转。超声发生装置主要包括超声换能器

和 CSHJ-1000 型超声波电源，超声波功率为 800W，超声频率为 40kHz。焊接过程中
超声振动头与激光加工头位置保持不变。焊丝采用前送进方式，并与试件保持 20°的
送丝角度。为防止焊接区域氧化，选用氩气作为保护气体，并从焊接方向的后方送进。
行走机构控制器为 STC01Z 型步进电机控制器，行走机构可以设置固定的运动速度，
保证焊接速度恒定。焊接试件下方为课题组自行设计的垫板，垫板上开有成形槽，从

垫板一端吹入保护气体，焊缝背面成形得以保证。垫板与行走机构刚性固定，焊接试
件由夹具固定于垫板上。通过行走机构带动 5A06 试件的方式实现焊接，焊接方向与
行走机构运动方向相反。激光束作用于母材使其熔化形成熔池，焊丝被激光热量熔化

并填充到熔池中。超声换能器作用于超声变幅杆上，变幅杆头部为马鞍形，方便保护
气的送进。变幅杆通过与熔池后沿焊缝两侧的母材接触，将超声振动传导到熔池中。
试验过程中变幅杆由充进压缩空气的气缸带动，变幅杆通过与工件接触将超声波
传入工件。通过调节不同的气缸压力可以控制变幅杆与工件之间的压力。采用变幅杆

压力为 0（未施加超声），31.4N、62.9N、100.5N、125.7N、188.6N、251.4N 的条件
下进行试验。
按照 国标 GB/T2651-2008 设计 拉伸试样尺 寸，采用 Instron 公司 生产的
Instron5569 电子万能试验机进行拉伸试验，拉伸速度为 1.0mm/min。不同变幅杆压力

对应的焊缝上各取 3 个拉伸试样，取 3 个试样抗拉强度的平均值作为该压力下焊缝的
抗拉强度。选用型号为 OLYMPUSGX71 的光学显微镜对焊缝组织进行观察。

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