高强铝锂合金高功率光纤激光焊接组织性能复合调控新技术及机理研究

高强铝锂合金是近代铝合金的一个重大发展，是一种很有前景的航空航天结构材料。激光焊接是实现高强铝合金结构连接最具技术和经济优势的方法之一，而高功率光纤激光器是未来激光焊接的主流器件。本项目将在系统研究高强铝锂合金高功率光纤激光焊接材料蒸发、合金元素烧损、光致等离子体、熔池冶金行为、焊缝凝固结晶组织特点及焊接气孔和裂纹产生的基本规律的基础上，重点针对焊缝强韧性不足这一关键问题，研究和揭示焊缝金属多元稀土元素微合金化、外加电流电磁搅拌、焊后处理等综合措施调控焊缝组织性能的机理；发展和完善具有自主知识产权的外加电流激光焊接新方法和新技术；建立外加电流高强铝锂合金高功率光纤激光填丝焊接焊缝成形、焊接缺陷、焊缝组织及接头性能与焊丝合金成分、焊接工艺之间的对应关系，奠定高强铝锂合金激光焊接的理论和技术基础。研究成果对丰富激光焊接理论、促进我国航空航天制造技术的进步具有重要意义。

高强铝锂合金是近代铝合金的一个重大发展，具有低密度、高强度、高模量以及优异的抗腐蚀性等综合优势，是目前航空航天工业中最具潜力的新型结构材料。高功率光纤激光器是未来激光焊接的主流器件，该激光焊接是实现高强铝合金结构连接最具技术和经济优势的方法之一。然而，目前铝锂合金激光焊接接头的强韧性能明显不足，这严重制约了铝锂合金激光焊接技术在航空航天领域的应用。本项目针对该难题，系统的研究了高功率光纤激光焊接过程的物理规律、熔池冶金行为、焊缝凝固结晶组织特点及焊接气孔和裂纹产生的基本规律。.首先，利用一种基于连续谱和维恩位移定律的羽辉/等离子体温度诊断新方法，揭示了光纤激光焊接羽辉对焊接过程的影响。通过与CO2激光焊接对比焊接熔化效率和飞溅的特性行为，得到光纤激光更适合中高速焊接等高功率光纤激光焊接过程基本物理规律，为焊接工艺的优化奠定了理论基础。然后，采用焊丝合金化、多元稀土元素微合金化、电流电磁搅拌等综合措施相结合调控高强铝锂合金激光焊接接头的组织与性能，并研究其作用机理及规律。建立了高强铝锂合金高功率光纤激光填丝焊接焊缝成形、焊接缺陷、焊缝组织及接头性能与焊丝合金成分、焊接工艺之间的对应关系，奠定了高强铝锂合金激光焊接的理论和技术基础。.研究结果表明，在一定焊接工艺范围条件下，采用Al-Si、Al-Cu，以及Al-Mg焊丝合金化手段可以抑制高强铝锂合金激光焊接热裂纹，提高了高强铝锂合金的焊接性，并且裂纹敏感性随焊接速度及激光功率的增加而增大；用外加电流激光焊接可以改变熔池金属流动状态，提高焊接过程的稳定性，提高了接头性能；焊接时，填充一定含量的稀土钪可以显著细化焊缝晶粒组织，使得接头强韧性均能得到明显改善，其接头抗拉强度最高可提高20%。. 因此，采用电流电磁搅拌、稀土元素合金化等手段可调控高强铝锂合金激光焊缝组织及性能；将激光技术应用于大型铝锂合金整体薄壁板结构焊接制造中，提高新型航空高强铝锂合金激光焊接接头的强韧性能、满足大型飞机的使用要求是可行的。研究成果为高强铝锂合金激光焊接技术在飞机制造应用提供理论指导和工艺设计依据，奠定了高强铝锂合金激光焊接的理论和技术基础，对丰富激光焊接理论、促进我国航空航天制造技术的进步具有重要意义。